Типы вентиляторов

Типы вентиляторов

Вентиляторы находят применение в вентиляционных системах и служат для транспортирования воздуха от источников его забора до требуемого помещения посредством системы воздуховодов. Одной из основных технических характеристик вентиляторов является возможность преодоления сопротивления воздуховодной сети, обуславливаемое наличием изгибов в системе вентиляции, перепадов диаметров воздуховода и другими подобными особенностями.

Сопротивление воздуха в сети вызывает дисбаланс давления, и возникающая разница давлений является главным фактором в вопросе выбора типа вентилятора.

Исходя из принципа работы и геометрической конфигурации крыльчатки, все вентиляторы можно разделить на радиальные, осевые, полуосевые и диагональные.

Радиальные вентиляторы

Основную область применения радиальных вентиляторов составляют условия  эксплуатации с высоким давлением в системе вентиляции. Основные технические характеристики радиального вентилятора определяет геометрия рабочего колеса и лопастей.

В случае, если лопатки загнуты назад, сохраняется низкий уровень шума при достижении 80% эффективности, однако количество подаваемого такими лопатками воздуха сильно зависит от давления.

Данная конфигурация лопаток  не рекомендована для запыленного воздуха, и эксплуатация такого вентилятора наиболее эффективна в узком спектре, лежащем в левой части кривой графика (см. ниже).

В случае, если лопатки вентилятора имеют прямую форму и при этом отклонены назад — возможно достижение 70% эффективности. Данный тип вентилятора хорошо подходит для работы в условиях загрязненного воздуха.

Если лопатки рабочего колеса имеют прямое радиальное исполнение, то вентилятор еще менее подвержен налипанию из воздуха загрязняющих веществ, и сохраняет при этом эффективность использования 50% и более.

При конструкции вентилятора  с загнутыми лопатками вперед, вентилятор сохраняет 60% эффективности, однако при этом повышенное давление воздуха незначительно сказывается на его производительности, к тому же данная конструкция позволяет укладываться в более низкие габаритные размеры, что благоприятно сказывается на массе вентилятора и возможности его размещения.

Осевые вентиляторы

Осевые вентиляторы относятся  к наиболее простому типу — пропеллерным.

Данный тип вентиляторов имеет довольно низкую эффективность  эксплуатации. Одним из возможных методов ее повышения является встраивание осевых вентиляторов в корпус, имеющий форму цилиндра. Также благоприятно сказывается на эффективности размещение лопаток непосредственно за лопастным колесом.

Данные методы способны повысить эффективность эксплуатации осевых вентиляторов до 75%, а в случае применения направляющих лопастей — до 85%.

Типы крыльчаток

Стрелка указывает направление  вращения колеса.

Диагональные  вентиляторы

Крыльчатка, имеющая радиальное расположение, подвержена воздействию  увеличенного статического давления воздушной  массы, что обуславливается действием  центробежной силы, вектор действия которой  расположен в радиальном направлении.

Конструкция осевой крыльчатки не испытывает подобного давления, так как поток воздуха действует строго в осевом направлении. Диагональные вентиляторы являют собой синтез конструкций радиальных и осевых вентиляторов. Движущийся воздух имеет сначала осевое направления, а, попадая на осевое колесо, изменяет свое направление на 45%. Использование данного типа вентилятора позволяет добиться 80% эффективности, хотя радиальная проекция вектора скорости потока воздуха и вызывает определенное повышение давления за счет центробежной силы.

Диаметральные вентиляторы

Конструкция диаметрального вентилятора позволяет направлять поток проходящего воздуха вдоль  рабочего колеса вентилятора, при этом потоки воздуха, (как входящие, так  и исходящие) проходят по периметру колеса вентилятора.

Не взирая на малые размеры рабочего колеса, данный тип вентилятора является достаточно производительным и достигает 65% уровня эффективности, что позволяет вполне успешно эксплуатировать его в малых вентиляционных системах, к примеру, для создания воздушных завес.

Аэродинамические  характеристики вентиляторов

Под аэродинамическими характеристиками вентиляторов понимают производительность вентилятора в зависимости от значения давления воздуха в сети. Так, давление с определенным значением соответствует определенному удельному расходу воздушной массы. Данная зависимость проиллюстрирована на графике зависимости.

 
Аэродинамические  характеристики вентилятора и сети воздуховода

График характеристики сети наглядно демонстрирует зависимость  производительности вентилятора от значения давления воздуха в сети. На данном графике рабочей точкой вентилятора является точка лежащая на пересечении кривой характеристики сети и кривой аэродинамической характеристики вентилятора. Данная точка характеризует воздушный поток для заданной сети воздуховода.

Любое изменение давления воздуха в системе дает начало новой кривой, описывающей характеристику сети. При возрастании давления характеристика сети будет соответствовать кривой «В», а при его снижении — кривой «С». Данная зависимость справедлива при условии, что количество оборотов рабочего колеса в минуту остается неизменным. 

Кривые сети в зависимости от изменения давления

Данная зависимость наглядно показывает, как расход воздуха зависит  от сопротивления воздуха в сети. В зависимости от кривой сопротивления сети рабочая точка может смещаться как вверх по графику, так и вниз, понижая или, соответственно, увеличивая расход воздуха.

При этом следует учитывать, что в случае отклонения перепада давления от теоретических (расчетных) значений, и положение рабочей точки, и расход воздуха будут отличаться от расчетных. 
 
Изменение значений скорости вентилятора

Для получения эксплуатационных характеристик сходных с теоретическими, возможно изменение значений скорости вращения рабочего колеса вентилятора. Так, например, при увеличении или уменьшении скорости вращения вентилятора можно смещать рабочие точки как вправо и вверх по графику, так и опускать их влево и вниз, изменяя тем самым расход воздуха. 
 
Изменение давления в зависимости от скорости вращения рабочего колеса вентилятора

И в первом, и во втором случаях возможно отклонение фактических показателей давления от теоретических расчетных данных (на графике изображено, как ΔР1 и ΔР2). Вследствие чего, рабочая точка для расчетной сети может определяться так, чтобы была возможность выхода на уровень наибольшей эффективности эксплуатации. При этом изменение количества оборотов рабочего колеса вентилятора (и увеличение, и уменьшение) ведет к снижению эффективности.

Эффективность и характеристики сети

Как же осуществить правильный выбор вентилятора?

Наиболее наглядным способом является графическое определение, для этого необходимо составить  несколько возможных характеристик  сети на графике вентилятора и визуально определить между кривыми каких характеристик находится конкретный тип вентилятора. Пронумеровав кривые характеристик от 0 до 10, можно с уверенностью сказать, что вентилятор на кривой 10 имеет максимальный расход воздуха и дует свободно, а вентилятор на линии 0 — «захлебнется». Вентилятор, находящийся на линии 4, будет иметь расход около 40%.

 
Характеристики  сети (0:10) на графике вентилятора

При этом эффективность вентилятора  константа вдоль всей кривой характеристики сети.

Вентиляторы, конструкция  которых предусматривает наличие  лопаток загнутых назад, имеют более  высокий показатель эффективности, в отличие от вентиляторов с загнутыми вперед лопатками. Однако высокий уровень эффективности возможен на небольшом участке, где кривая характеристики сети представлена более низким расходом при заданном значении давления, чем у конструкций вентиляторов с загнутыми вперед лопатками.

Для достижения расхода подобному  при эксплуатации вентиляторов с загнутыми вперед лопатками, и одновременном сохранении высокой эффективности производительности, необходимо осуществлять выбор вентилятора с загнутыми назад лопатками, имеющими большие геометрические размеры.

Уровень эффективности  для одинаковых размеров центробежных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад и загнутыми вперед

Теоретические расчеты  характеристики сети

где:

ΔP — общее давлении вентилятора (Па),

q_v — расход воздуха (м³/ч или л/с),

k — постоянная. 
 
Пример

Вентилятор подает 5 000 м³/ч при давлении 250 Па.

A. Как изобразить характеристику  сети на графике?

a) Поставьте точку на характеристике вентилятора (1), где давление составляет 250 Па , а расход — 5 000 м³/час.

Введите это значение в вышеприведенную формулу для получения значения константы k.

k = ΔP / q_v² = 250 / 50002 = 0.00001

b) Выберите произвольное снижение давления, например, 100 Па, рассчитайте расход воздуха и поставьте на графике точку (2).

м3/ч

c) Сделайте тоже самое для 350 Па и поставте на графике точку 3.

м3/ч

d) Теперь нарисуйте кривую, которая и покажет характеристику сети.

 
B. Что же произойдет, если давление в сети увеличится на 100 Па, например, из-за забитого фильтра?

a) Рассчитайте коэффициент для новой характеристики сети: 
k = 350/5000 (2) = 0,000014

b) Выберите еще два других падения давления, например, 150 и 250 Па, и рассчитайте для них расход воздуха.

м3/ч

м3/ч

c) Постройте две новые точки (2 и 3) и проведите новую характеристику сети.

Новая рабочая точка (4) расположена на пересечении характеристики вентилятора и новой линией системы.

Данный график также показывает, что увеличение давления вызывает также  уменьшение расхода воздуха примерно до 4 500 м³/час.

Определение характеристики сети

где:

L — линия системы,

Δp_d — динамическое давление (Па),

Δp_t — общее давление (Пa).

Эффективность вентилятора

где:

ΔP_t — общее изменение давления (Па),

q — расход воздуха (м³/час),

P — мощность (Вт).

Аэродинамические  потери сети

Характеристики вентиляторов на указанных выше графиках справедливы при том условии, что монтаж, установка и наладка вентиляторов соответствуют определенным правилам. Так, например, со стороны забора воздушной массы должен быть предусмотрен прямолинейный участок воздуховода, длиной не менее одного диаметра, а со стороны выхлопа воздушной массы — не менее трех диаметров.

В случае отступления от указанных правил, возможно возникновение значительного перепада давления, что может отрицательно сказаться на производительности вентилятора. Для того, чтобы застраховать себя от подобного случая, необходимо учитывать следующие факторы.

Со стороны забора: 
— расстояние до близлежащей стены должно быть не менее, нежели 0,75 диаметра ввода: 
— размеры поперечного сечения воздуховода на входе системы не должно лежать вне диапазона значений 92%...112% от диаметра входного отверстия вентилятора; 
— длина воздуховода на всасывании должна превышать по значению 1 диаметр воздуховода; 
— элементы воздуховода, расположенные на заборе воздушных масс, не должны иметь никаких элементов, препятствующих свободному всасыванию воздуха.

Со стороны нагнетания: 
— угол сужения поперечного сечения не должен превышать 15%; 
— угол увеличения поперечного сечения — не более 7%; 
— длина прямолинейного участка, лежащего за вентилятором должна быть более или равной трем диаметрам воздуховода; 
— по возможности, необходимо избегать элементов воздуховода имеющих угол поворота 90 градусов, рекомендуются использование отводов под 45 градусов; 
— отводы должны повторять форму проходящего воздушного потока на выходе из вентилятора.

Удельная мощность вентилятора 

В странах Европы действуют строгие правила, регламентирующие уровень эффективности потребления электроэнергии в зданиях и помещениях. Шведский институт внутреннего климата — Svenska Inneklimatinsitutet разработал и представил мировой общественности специальную концепцию, называемую «Удельной мощностью вентилятора» и представляющую собой одну из возможных мер повышения энергоэффективности всей вентиляционной системы в целом.

Данная концепция гласит, что удельная мощность одного вентилятора  может быть определена как отношение  суммарной эффективности энергопотребления всех вентиляторов системы воздуховодов к объему общей воздушной массы, циркулирующей через здание или отдельное помещение. При этом, чем ниже значение данного отношения, тем выше эффективность системы, отвечающей за транспортирование воздуха. 
В качестве отдельной рекомендации можно выделить следующее требование к приобретению вентиляционных систем для коммунального сектора — максимально допустимое значение удельной мощности вентилятора не должно превышать коэффициента 2,0 для систем вентиляции после проведения ремонтных работ, и 1,5 для новых вентиляционных систем.

Удельная мощность вент-ра для здания:

где:

P_tf — общая мощность приточных вентиляторов (КВт),

P_ff — общая мощность для вытяжных вентиляторов (КВт),

q_f — выбранный расход (м³/с), 
 
Теоретический расчет потребляемой мощности вентиляторов:

где:

P — потребляемая электрическая  мощность вентилятора (КВт),

p_t — общее давление вентилятора (Па),

q — расход воздуха (м³/с),