Коэффициент полезного действия вентилятора

Приточные и вытяжные системы с механическим побуждением в основном оборудуются радиальными вентиляторами общего назначения. Выбор вентилятора необходимо производить по каталогам заводов-изготовителей, при выполнении курсового проекта можно пользоваться справочной литературой.

Вентиляторы подбираются по сводному графику и аэродинамическим характеристикам при известных величинах производительности и полного давления. Величина полного давления, Р_В, Па:

? Р_СЕТИ — потери давления в сети воздуховодов, Па;

? Р_ОБОР — потери давления в вентиляционном оборудовании (фильтре, калорифере, теплоутилизаторе и др.).

Производительность вентилятора определяется по количеству подаваемого или удаляемого вентиляционной системой воздуха с учетом потерь и подсосов через неплотности в воздуховодах и элементах системы. Эта поправка оценивается в 10% при длине воздуховодов до 50 м и в 15% при длине более 50 м.

Производительность вентилятора: L _В = 1,1 — 1,15* L _СЕТИ , м 3 /ч.

При подборе вентиляторов необходимо стремиться к тому, чтобы их КПД имел максимальное значение и находился в пределах n >=0,97 n_MAX . В таком случае вентилятор будет работать в экономичном режиме.

При подключении вентилятора к сети воздуховодов желательно, чтобы ближайшее местное сопротивление на всасывании было на расстоянии не менее 5 d ₀ , а на нагнетании не менее 3Д_Г

d ₀ — диаметр всасывающего отверстия вентилятора;

Д_Г — гидравлический диаметр.

Д_Г = 4 F /П , где F и П площадь и периметр выходного отверстия вентилятора. Если условия о местных сопротивлениях не выполняются, то необходимо произвести расчет дополнительных потерь давления вблизи вентилятора и учесть это при подборе.

Вентиляторы выбирают в следующем порядке : по значениям производительности L _В и полного давления Р_В на сводном графике, находят точку пересечения координат L — Р . Если точка не попадает на «рабочую» характеристику, то ее относят на ближайшую (вверх или вниз) и пересчитывают вентиляционную систему на новое давление. Далее уже по индивидуальным аэродинамическим характеристикам, по принятым L _В и Р_В находим частоту вращения рабочего колеса вентилятора, КПД, потребляемую мощность. При подборе необходимо отдавать предпочтение тому вентилятору, у которого наиболее высокий КПД, относительно небольшая окружная скорость, а число оборотов колеса позволяет соединить с электродвигателем на одном валу.

Требуемую мощность на валу электродвигателя , кВт, определяют по формуле:

N = ( L _В * P _В )/(3600*1021* n _В * n _П )

L _В — расход воздуха, принимаемый для подбора вентилятора, м 3 /ч;

Р_В — расчетное сопротивление сети, Па;

n _В — коэффициент полезного действия вентилятора в рабочей точке;

n _П — коэффициент полезного действия передачи,

n _П = 1 — для непосредственной насадки колеса вентилятора на вал электродвигателя;

n _П = 0,98 — для соединения вала вентилятора и электродвигателя с помощью муфты;

n _П = 0,95 — для ременного привода с клиновыми ремнями.

Установочную мощность электродвигателя N _У , кВт, находят по формуле:

N _У = К_З* N

К₃ — коэффициент запаса мощности.

Источник

О высоком КПД вентиляторов и эффективности вентиляционных систем

В настоящее время большое внимание уделяется энергоэффективности процессов, оборудования и т.д., не составляют исключение и вентиляционные системы. Если систему рассматривать только с точки зрения аэродинамики (то есть не учитывать подвод или отвод теплоты), то аэродинамически эффективной мы называем систему, которая для перемещения необходимого расхода воздуха потребляет минимальную мощность. При этом следует понимать, что речь идет о некой вентиляционной системе, которая по своей конфигурации может быть далеко не оптимальной.

Данная статья представлена в форме скрытого диалога как ответ авторов на ряд дискуссионных вопросов, связанных с эффективностью вентиляционных систем.

Как определить эффективность вентиляционной системы? Мы предложили свой вариант, который был изложен в статье [1]. В дальнейшем на эту тему на 44-м конгрессе KGH-2013 в Белграде был сделан доклад (ISSN 0350–1426), а по предложению Российского секретариата ИСО в Комитете ISO TK 117 (Fans) была открыта работа.

Какие основные факторы влияют на аэродинамическую эффективность вентиляционной системы?

В равной мере для эффективности вентиляционной системы важны и коэффициент полезного действия вентилятора (КПД) на рабочем режиме, и аэродинамические потери в вентиляционной системе. Что мы имеем в виду? Например, для подачи 100000 м 3 /ч (27,8 м 3 /с) свежего воздуха в первоначальном проекте суммарные потери в вентиляционной системе (включая потери в приточной установке) составляли 1500 Па, а после ее оптимизации – 1000 Па. Если принять, что вентиляторы в обоих случаях подобраны должным образом и на рабочем режиме они имеют довольно высокий КПД, равный 80%, то потребляемая мощность вентиляторов будет равна 52 и 35 кВт. То есть выигрыш в оптимизации потерь в вентиляционной системе довольно значителен. Однако если во втором случае вентилятор подобран неоптимально, например его КПД на рабочем режиме только 54%, то он будет потреблять те же 52 кВт, то есть ожидаемого эффекта от оптимизации вентиляционной системы не будет.

КПД вентилятора

Рассмотрим более подробно первую составляющую эффективности вентиляционной системы, а именно КПД вентилятора. Возникает вполне резонный вопрос: нужно ли гнаться за высоким максимальным КПД вентилятора? Однозначно утверждаем, что да, хотя и с некоторыми оговорками, о которых речь пойдет далее.

Сразу же необходимо пояснить: существуют два коэффициента полезного действия – по полным и статическим параметрам. Физический смысл и различие этих двух коэффициентов, как нам кажется, достаточно хорошо описаны в нашей книге [2]. В дальнейшем мы говорим о полном КПД вентилятора, если речь идет о сети на всасывании и нагнетании вентилятора, и о статическом КПД, если сеть расположена только на всасывании.

Существует ряд национальных и международных стандартов, которые так или иначе устанавливают градации эффективности различных типов вентиляторов. Например, в международном стандарте ISO 12759:2010 «Вентиляторы. Классификация по эффективности» введена классификация эффективности вентиляторов с различными приводами. В ЕС действует Директива Европейского парламента и Совета 2009/125/ЕС, в которой прописаны требования к экологическому проектированию продукции, связанной с энергопотреблением, и Регламент комиссии (ЕС) № 327/2011 по ее применению. Россия не осталась в стороне от этого процесса. С июля этого года начал действовать ГОСТ 31961–2012 «Вентиляторы промышленные. Показатели энергоэффективности», разработанный в техническом комитете ТК061 «Вентиляторы и кондиционеры». В стандарте введены три класса эффективности вентиляторов без учета потерь в электродвигателях и т.д, то есть «чисто» вентилятора. На этот год в плане ТК061 стоит разработка российского стандарта, в котором уже будут учитываться потери в приводах (электродвигатели, ременные передачи, частотные приводы и т.д.).

Еще раз повторим, что крайне важно использовать вентиляторы с высоким максимальным КПД. На сегодняшний день максимальный КПД лучших общепромышленных вентиляторов достигает 85–88%, и очевидно, что это уже потолок, так как даже незначительное его увеличение сопряжено с увеличением стоимости вентилятора. Здесь стоит сделать оговорку: в ряде случаев высокий полный КПД получен за счет большой доли динамического давления на выходе вентилятора (большой скорости потока на выходе)! Как правило, наиболее высокий максимальный КПД имеют вентиляторы остро настроенные на определенный узкий диапазон работы. Но для построения энергоэффективной вентсистемы важно, чтобы вентилятор на расчетном режиме имел высокий КПД, в идеале близкий к максимальному значению. В российском стандарте ГОСТ 10616–90 «Вентиляторы радиальные и осевые. Размеры и параметры» на это прямо указано: рабочий диапазон вентилятора должен быть ограничен областью, в которой КПД вентилятора не ниже 0,9 от его максимального значения. Насколько нам известно, мало кто сейчас подбирает рабочий режим вентилятора, учитывая это требование. Можно попасть в ситуацию, схематично изображенную на рис. 1. Здесь вентилятор 1 с максимальным КПД η_max1 = 0,86 в вентиляционной системе будет работать менее эффективно (рабочий режим – точка А), чем вентилятор 2 с меньшим максимальным КПД η_max2 = 0,76, но работающий в оптимальном диапазоне (рабочий режим – точка Б). То есть высокий максимальный КПД вентилятора – это не самоцель. Можно провести более понятную аналогию. Представьте себе, вы купили дорогой спортивный автомобиль, а ездите по горным дорогам на первой или второй передаче, так как нет прямых участков для скоростной езды! Понятно, что речь об эффективном использовании автомобиля не идет, так как он эксплуатируется далеко не в оптимальном режиме.

Подбор вентилятора на заданный рабочий режим:
А – рабочий режим вентилятора 1, Б – вентилятора 2

Последняя международная выставка «Мир Климата – 2014» показала, что некоторые западные и отечественные производители плохо представляют себе, как определенные конструктивные элементы вентилятора влияют на его КПД. Мы имеем в виду форму лопаток, радиальные и осевые зазоры между лопатками, коллектором и корпусом и т.д. Впечатления о посещении выставки мы отразили в [3], и нет необходимости здесь их повторять. Основной посыл статьи: показать, на что необходимо в первую очередь обращать внимание, чтобы по внешнему виду вентилятора определить, насколько он будет эффективен в работе. Покажем очень кратко, что бросилось в глаза: огромные радиальные зазоры, упрощенные втулки и лопатки осевых вентиляторов (рис. 2), упрощенные коллекторы, огромные осевые зазоры между коллекторами и колесами (рис. 3) и самое впечатляющее – несоответствие радиального корпуса направлению вращения рабочих колес (рис. 4). И это все – «лучшие» образцы, специально подготовленные к выставке!

Осевые вентиляторы с упрощенными некручеными лопатками и большими радиальными зазорами между лопатками и корпусами

Аэродинамически эффективный вентилятор не может быть дешевым, так как для его изготовления необходимо использовать специальное оборудование, качественные комплектующие, а при сборке должны выдерживаться все необходимые элементы технологии, проводить работы должен квалифицированный персонал и т.д. Удешевление стоимости вентилятора за счет упрощения конструкции, технологии, использования неквалифицированного персонала и т.д. неизбежно приводит к ухудшению аэродинамических характеристик и КПД вентиляторов. В конечном итоге, покупая дешевый вентилятор, можно гарантированно получить шлейф проблем: невозможность вывести систему на требуемые режимы, перерасход энергии и т.д. Другими словами, «скупой платит дважды». Это не всегда значит, что чем дороже вентилятор, тем он лучше, но совсем дешевый вентилятор хорошим не бывает.

Огромные зазоры между входными коллекторами и колесами

Как быть проектировщику, который отвечает за свое проектное решение?
Проектировщик подбирает вентиляторы по каталогам, не видя самих вентиляторов, руководствуясь своей практикой, советами коллег, форумом, наконец. При этом если производитель привел в каталоге реальные параметры вентилятора, то можно сказать, что проектировщику (или монтажнику) повезло. Но если параметры позаимствованы из каталога «уважаемого» производителя, который делает «качественный» вентилятор, то это прямой обман со всеми вытекающими последствиями.

Как быть монтажнику?
Монтажники могут заменить оборудование, в том числе и вентиляторы, на более дешевые, так как при этом имеют прямую выгоду. При этом если система не выходит на нужный режим, то всегда можно сослаться на «плохой» проект. Насколько нам известно, редко дело доходит до того, что для решения спора вентилятор испытывается в аэродинамической лаборатории.

В спиральном корпусе установлено колесо не того направления вращения

К сожалению, в России отсутствует независимый орган (лаборатория), который мог бы дать квалифицированную техническую оценку тому, что есть на вентиляционном рынке. Исключение, насколько нам известно, составляет независимая лаборатория АПИК, которая верифицирует небольшие воздушно-тепловые завесы. По вентиляторам, приточным установкам, кондиционерам ничего подобного нет. Над созданием лаборатории сейчас работают в комитете ТК061.

Здесь хотелось бы сделать замечание. Представьте себе: вы спроектировали вентиляционную систему, заложили вентилятор известного производителя с высоким максимальным КПД, монтажники все реализовали на объекте в металле без отступлений от проекта, но при наладке оказалось, что вентилятор не выходит на заданный расход. В чем проблема? С большой долей вероятности – в соединении вентилятора с сетью (в западной технической литературе – System Factor). Другими словами, элементы вентиляционной сети, расположенные перед вентилятором, могут ухудшать его аэродинамические характеристики. Равно как и вентилятор может увеличивать аэродинамические потери в элементах сети, расположенных непосредственно на его выходе. Но это уже совершенно другая тема.

Завершая тему вентиляторов с высоким КПД, следует сказать, что существует расхожее мнение, что проблему малого КПД вентилятора на расчетном режиме (или же неоптимального выбора вентилятора) может решить частотный преобразователь. Оно ошибочно. Частотный преобразователь изменяет частоту вращения колеса, и соответственно давление и потребляемую мощность, но не изменяет его КПД (если не меняются характеристики самой вентсистемы). Например, при уменьшении частоты вращения потребляемая вентилятором мощность уменьшается пропорционально кубу уменьшения частоты вращения. То есть имеет место прямая выгода. Но при этом КПД вентилятора остается неизменным, и если вентилятор изначально плохо подобран, то он и будет продолжать работать с низким КПД при всех частотах вращения. К слову сказать, при частотном регулировании существует ряд проблем, на которые пока не обращают внимания. Общий КПД привода (электродвигатель плюс частотный привод) сильно зависит от частоты вращения, загрузки электродвигателя и частотного преобразователя. В ряде случаев, несмотря на высокий исходный КПД вентилятора, общий КПД системы может уменьшиться на 20–30%. Кроме этого, при малых частотах вращения ухудшаются условия охлаждения электродвигателя при увеличивающихся внутренних тепловыделениях электродвигателя.

Аэродинамические потери в вентиляционной системе

О второй стороне проблемы, а именно об аэродинамических потерях вентиляционной системы или о том, как построена сама система. Для вентиляционной системы основным параметром является расход воздуха, а необходимое давление вентилятора – производной величиной, которая зависит от множества параметров: скорости воздуха в воздуховодах, конфигурации воздуховодов и т.д. Таким образом, чтобы увеличить эффективность вентиляционной системы, необходимо не только использовать вентилятор с высоким КПД на рабочем режиме, но и оптимизировать аэродинамические потери в самой системе. Говоря об аэродинамической оптимизации вентсистемы, мы подразумеваем, что это не только уменьшение потерь трения в воздуховодах, потерь в сетевых элементах и т.д., но и рациональное построение самой вентиляционной системы. Возвратимся к более понятной аналогии с автомобилем. Для минимизации затрат топлива при перевозке большого груза по маршруту с заездами в ряд удаленных от магистрали населенных пунктов маршрут должен быть соответствующим образом оптимизирован. Например, можно пустить по маршруту две менее грузоподъемные машины (разбиение вентсистемы на две), можно пустить одну большую машину, а для заезда в удаленные населенные пункты использовать менее грузоподъемные машины (использование вентиляторов-доводчиков) и т.д. Оптимизация вентиляционных сетей – довольно обширная тема, и мы предлагаем рассказать о ней в следующем номере журнала.

Источник

Выбор и расчёт вентилятора.

Вентиляторы общего назначения применяют для работы на чистом воздухе, температура которого меньше 80 градусов. Для перемещения более горячего воздуха предназначены специальные термостойкие вентиляторы. Для работы в агрессивных и взрывоопасных средах выпускают специальные антикоррозионные и взрывобезопасные вентиляторы. Кожух и детали антикоррозионного вентилятора выполнены из материалов, не вступающих в химическую реакцию с коррозионными веществами перемещаемого газа. Взрывобезопасное исполнение исключает вероятность искрообразования внутри корпуса (кожуха) вентилятора и повышенного нагревания его частей во время работы. Для перемещения запылённого воздуха применяют специальные пылевые вентиляторы. Размеры вентиляторов характеризуются номером, который обозначает диаметр рабочего колеса вентилятора, выраженный в дециметрах.

По принципу действия вентиляторы подразделяются на центробежные (радиальные) и осевые. Центробежные вентиляторы низкого давления создают полное давление до 1000 Па; вентиляторы среднего давления – до 3000 Па; и вентиляторы высокого давления развивают давление от 3000 Па до 15000 Па.

Центробежные вентиляторы изготавливают с дисковым и бездисковым рабочим колесом:

Лопатки рабочего колеса крепятся между двумя дисками. Передний диск — в виде кольца, задний — сплошной. Лопасти-лопатки бездискового колеса крепятся к ступице. Спиральный кожух центробежного вентилятора устанавливают на самостоятельных опорах, или на станине, общей с электродвигателем.

Осевые вентиляторы характеризуются большой производительностью, но низким давлением, поэтому широко применяются в общеобменной вентиляции для перемещения больших объёмов воздуха при невысоком давлении. Если рабочее колесо осевого вентилятора состоит из симметричных лопаток, то вентилятор является реверсивным.

Схема осевого вентилятора:

Крышные вентиляторы изготавливаются осевые и радиальные; устанавливаются на крышах, на бесчердачном перекрытии зданий. Рабочее колесо и осевого, и радиального крышного вентилятора вращается в горизонтальной плоскости. Схемы работы осевого и радиального (центробежного) крышных вентиляторо в:

Осевые крышные вентиляторы применяют для общеобменной вытяжной вентиляции без сети воздуховодов. Радиальные крышные вентиляторы развивают более высокие давления, поэтому могут работать как без сети, так и с сетью подключенных к ним воздуховодов.

Подбор вентилятора по аэродинамическим характеристикам.

Для каждой вентиляционной системы, аспирационной или пневмотранспортной установки вентилятор подбирают индивидуально, используя графики аэродинамических характеристик нескольких вентиляторов. По давлению и расходу воздуха на каждом графике находят рабочую точку, которая определяет коэффициент полезного действия и частоту вращения рабочего колеса вентилятора. Сравнивая положение рабочей точки на разных характеристиках, выбирают тот вентилятор, который даёт наибольший кпд при заданных значениях давления и расхода воздуха.

Пример. Расчёт вентиляционной установки показал общие потери давления в системе Нс=2000 Па при требуемом расходе воздуха Q с=6000 м³/час. Подобрать вентилятор, способный преодолеть это сопротивление сети и обеспечить необходимую производительность.

Для подбора вентилятора его расчётное давление принимается с коэффициентом запаса k =1,1:

Нв= kHc ; Нв=1,1·2000=2200 (Па).

Расход воздуха рассчитан с учётом всех непродуктивных подсосов. Q в= Q с=6000 (м³/час). Рассмотрим аэродинамические характеристики двух близких номеров вентиляторов, в диапазон рабочих значений которых попадают значения расчётного давления и расхода воздуха проектируемой вентиляционной установки:

Аэродинамическая характеристика вентилятора 1 и вентилятора 2.

На пересечении величин Р v =2200 Па и Q =6000 м³/час указываем рабочую точку. Наибольший коэффициент полезного действия определяется на характеристике вентилятора 2: кпд=0,54; частота вращения рабочего колеса n =2280 об/мин; окружная скорость края колеса u

Окружная скорость рабочего колеса 1-го вентилятора ( u

38 м/сек) значительно меньше, значит, будут меньше создаваемые этим вентилятором шум и вибрация, выше эксплуатационная надёжность установки. Иногда предпочтение отдаётся более тихоходному вентилятору. Но рабочий коэффициент полезного действия вентилятора должен быть не ниже 0,9 его максимального кпд. Сравним ещё две аэродинамические характеристики, которые подходят для выбора вентилятора к той же вентиляционной установке:

Аэродинамические характеристики вентилятора 3 и вентилятора 4.

Коэффициент полезного действия вентилятора 4 близок к максимальному (0,59). Частота вращения его рабочего колеса n =2250 об/мин. Кпд 3-его вентилятора несколько ниже (0,575), но и частота вращения рабочего колеса существенно меньше: n =1700 об/мин. При небольшой разнице коэффициентов полезного действия 3-й вентилятор предпочтительнее. Если расчёт мощности привода и электродвигателя покажет близкие результаты для обоих вентиляторов, следует выбрать вентилятор 3.

Расчёт мощности, требуемой для привода вентилятора.

Мощность, которая требуется для привода вентилятора, зависит от создаваемого им давления H в (Па), перемещаемого объёма воздуха Q в (м³/сек) и коэффициента полезного действия кпд:

N в= H в ·Q в/1000·кпд (кВт); Нв=2200 Па; Q в=6000/3600=1,67 м³/сек.

Коэффициенты полезного действия предварительно подобранных по аэродинамическим характеристикам вентиляторов 1, 2, 3 и 4 соответственно: 0,49; 0,54; 0,575; 0,59.

Подставляя величину давления, расхода и кпд в формулу расчёта, получим следующие значения мощности для привода каждого вентилятора: 7,48 кВт, 6,8 кВт, 6,37 кВт, 6,22 кВт.

Расчёт мощности электродвигателя для привода вентилятора.

Мощность электродвигателя зависит от вида её передачи с вала двигателя на вал вентилятора, и учитывается в расчёте соответствующим коэффициентом ( k пер). Нет потерь мощности при непосредственной посадке рабочего колеса вентилятора на вал электродвигателя, т. е. кпд такой передачи равен 1. Кпд соединения валов вентилятора и электродвигателя с помощью муфты 0,98. Для достижения необходимой частоты вращения рабочего колеса вентилятора применяем клиноремённую передачу, коэффициент полезного действия которой 0,95. Потери в подшипниках учитываются коэффициентом k п=0,98. По формуле расчёта мощности электродвигателя:

N эл= N в / k пер· k п

получим следующие мощности: 8,0 кВт; 7,3 кВт; 6,8 кВт; 6,7 кВт.

Установочную мощность электродвигателя принимают с коэффициентом запаса k з=1,15 для двигателей мощностью менее 5 кВт; для двигателей более 5 кВт k з=1,1:

С учётом коэффициента запаса k з=1,1 окончательная мощность электродвигателей для 1-го и 2-го вентиляторов составит 8,8 кВт и 8 кВт; для 3-го и 4-го 7,5 кВт и 7,4 кВт. Первые два вентилятора пришлось бы комплектовать двигателем 11 кВт, для любого вентилятора из второй пары достаточно мощности электродвигателя 7,5 кВт. Выбираем вентилятор 3: как менее энергоёмкий, чем типоразмеры 1 или 2; и как более тихоходный и эксплуатационнонадёжный по сравнению с вентилятором 4.

Номера вентиляторов и графики аэродинамических характеристик в примере подбора вентилятора приняты условно, и не относятся к какой-либо конкретной марке и типоразмеру. (А могли бы.)

Расчёт диаметров шкивов клиноремённого привода вентилятора.

Клиноремённая передача позволяет подобрать нужную частоту вращения рабочего колеса посредством установки на вал двигателя и приводной вал вентилятора шкивов разного диаметра. Определяется передаточное отношение частоты вращения вала электродвигателя к частоте вращения рабочего колеса вентилятора: n э / n в .

Шкивы клиноремённой передачи подбираются так, чтобы отношение диаметра приводного шкива вентилятора к диаметру шкива на валу электродвигателя соответствовало отношению частот вращения:

D в / D э = n э / n в

Отношение диаметра ведомого шкива к диаметру ведущего шкива называется передаточным числом ремённой передачи.

Пример. Подобрать шкивы для клиноремённой передачи вентилятора с частотой вращения рабочего колеса 1780 об/мин, с приводом от электродвигателя мощностью 7,5 кВт и частотой вращения 1440 об/мин. Передаточное отношение передачи:

n э / n в =1440/1780=0,8

Необходимую частоту вращения рабочего колеса обеспечит следующая комплектация: шкив на вентиляторе диаметром 180 мм , шкив на электродвигателе диаметром 224 мм .

Схемы клиноремённой передачи вентилятора, повышающей и понижающей частоту вращения рабочего колеса:

Источник

Тема 3.3 Подача, мощность, КПД вентилятора. Выбор вентилятора по заданным параметрам

Работа вентилятора при заданной частоте вращения характеризуется объёмной подачей Q, полным давлением р, мощностью N, полным КПД .

Однако в некоторых случаях для вентиляторов характерно не полное давление, развиваемое ими, а лишь его статическая часть или статический напор . В таких случаях оценка энергетической эффективности вентилятора производится статическим КПД — .

Статический КПД — отношение полезной мощности, расходуемой на развитие статического давления, к мощности, подводимой на вал вентилятора от двигателя.

Соотношение между и р характеризуется степенью реактивности машины. Зависящей от лопастного угла . Поэтому для разных типов вентиляторов различно и соотношение между и . Ориентировочно .

Подача центробежных вентиляторов общего назначения достигает примерно 300 тыс. м /ч, давление примерно 12 кПа. В стационарной теплоэнергетике применяют вентиляторы с подачей до 900тыч. м /ч и давлением до 7 кПа. Полный КПД крупных центробежных вентиляторов достигает 87 %.

Предварительным расчётом системы, в которую включается вентилятор, при заданной подаче Q определяется необходимое давление вентилятора р. Имея в виду ошибки, возможные в расчёте потерь давления в системе, вводят гарантийные запасы в рабочих параметрах и вентиляторы общего назначения выбирают на подачу 1,05Q и давление 1,1р. Дутьевые вентиляторы и дымососы выбирают на подачу 1,1Q и давление 1,2р.

Данные каталогов (таблицы и графики) относятся обычно к нормальным условиям (

Простой и надёжный способ выбора вентиляторов основан на использовании сводных графиков (смотри пройденный материал). Откладывая на координатных осях сводного графика значения и и проводя нормали к осям. Получаем точку пересечения, попадающую в поле рабочих параметров, определяющее необходимый типоразмер и частоту вращения вентилятора.

Необходимая мощность вентилятора рассчитывается по формуле (2.53).

Мощность приводного двигателя принимается с запасом, учитывающим возможное отклонение режима от расчётного уменьшения КПД и ухудшения изоляции двигателя в процессе работы:

Источник

Основы гидравлики

Вентиляторами называют устройства, служащие для перемещения воздуха или других газов при давлении не более 0,15×10 5 Па.
Они, как и насосы, находят применение во многих отраслях народного хозяйства и, в частности, в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Автомобильная, дорожная и сельскохозяйственная техника применяет в своей конструкции, например, вентиляторы системы охлаждения двигателей, вентиляторы системы отопления и кондиционирования воздуха в салоне. Аэромобили, суда на воздушной подушке и подобные машины используют вентиляторы в качестве движителя.

Следует отличать вентиляторы от воздуходувок и компрессоров, способных перемещать газы при давлении более 0,15×10 5 Па. Компрессоры, в отличие от вентиляторов, чаще всего являются аэромашинами объемного типа, использующими принцип вытеснения вещества по аналогии с объемными насосами. Если же в качестве компрессора применяются динамические аэромашины (центробежные, осевые турбины и т. п.), то сжатие воздуха в них осуществляется в несколько ступеней, т. е. поэтапно.

Вентиляторы разделяют на центробежные и осевые. Эти два типа вентиляторов используют непосредственное силовое воздействие рабочими органами (крыльчатками) на потоки воздуха или газов для увеличения их кинетической энергии, т. е. являются аэродинамическими машинами.

Как в конструкциях насосов, среди вентиляторов лопастного типа иногда выделяют тип диагональные вентиляторы, у которых лопасти изогнуты по схеме, не позволяющей классифицировать их как центробежные или осевые (рис. 1). В диагональных вентиляторах лопатки расположены под углом 45˚ к оси колеса либо они имеют сложную геометрическую форму, придающую диагональное направление перемещаемому потоку газа.
Перемещение рабочей среды (газа, воздуха) в таких вентиляторах осуществляется и вдоль оси рабочего колеса (как у осевых вентиляторов), и радиально (как у центробежных вентиляторов) вдоль внешней стенки кожуха.
Подобная конструкция имеет некоторые достоинства по сравнению с вентиляторами осевого типа, так как возникающие центробежные силы способствуют повышению давления в потоке.
Кроме того, лопасти диагональных вентиляторов в меньшей степени подвержены поперечной изгибающей нагрузке, поскольку значительная часть энергии передается потоку в осевом направлении, что выгодно отличает их от центробежных (радиальных) вентиляторов.

В отдельную группу можно выделить так называемые диаметральные вентиляторы, в которых схема перемещения воздушных потоков отличается от таковой у центробежных вентиляторов – и входящий, и нагнетаемый потоки перемещаются по внешнему периметру рабочего колеса (рис. 1).
Рабочее колесо диаметральных вентиляторов оснащено длинными, но очень узкими лопатками.
Отличается у таких вентиляторов и конструкция кожуха – вдоль внешнего участка рабочего колеса имеется широкое окно, из которого лопасти захватывают газ (воздух), перемещают его вдоль закрытой части кожуха и выбрасывают в выходное отверстие (раструб). Иногда конструкция диаметральных вентиляторов вообще не предусматривает кожуха – остатки его функции выполняет раструб.

Поскольку диагональные и диаметральные вентиляторы представляют собой некоторую разновидность основных типов вентиляторов — центробежных и осевых, в этой статье более подробно рассмотрены характеристики двух последних конструкций.

Центробежные вентиляторы

Центробежные вентиляторы иногда называют радиальными вентиляторами, поскольку перемещение воздушного потока при контакте с лопастями осуществляется от центра к внешнему периметру, т. е. радиально.

Общий вид и схема устройства центробежного вентилятора (рис. 2) напоминают конструкцию центробежных насосов. Он состоит из рабочего колеса (ротора) 2 с лопатками, спирального корпуса 2 (кожуха) и станины 1. Рабочее колесо насажено на вал 4, который установлен в подшипниках на станине. Ротор центробежного вентилятора состоит из двух дисков, между которыми располагаются лопатки. Их число колеблется от 6 до 36.

Кожухи вентиляторов выполняют из листового металла сварными или клепаными. У центробежных вентиляторов кожух обычно имеет форму логарифмической спирали (улитки). В нем имеются круглое входное и квадратное или прямоугольное выходное отверстия.

Принцип работы центробежного вентилятора аналогичен принципу работы центробежного насоса.
Воздух, поступивший через входное отверстие вентилятора в полость рабочего колеса, захватывается лопатками и приводится во вращение. Под действием центробежных сил он сжимается, отбрасывается к внешней стенке спирального кожуха, и, двигаясь по спирали, попадает через выходное отверстие в воздуховод.
Основное назначение кожуха – собрать поток воздуха, сбегающего с ротора и понизить его скорость, т. е. преобразовать кинетическую энергию потока газа (динамическое давление) в потенциальную энергию (статическое давление).
В среднем скорость движения воздуха или газа в кожухе центробежного вентилятора принимается равной половине окружной скорости рабочего колеса.

Центробежные вентиляторы классифицируют по следующим признакам:

по создаваемому давлению – низкого давления (до 0,01×10 5 Па), среднего (до 0,03×10 5 Па) и высокого давления (свыше 0,03×10 5 Па);
по назначению – общего (для перемещения чистого воздуха и неагрессивных газов) и специального назначения (для перемещения запыленного воздуха, дымовых газов – дымососы, и др.);
по числу сторон всасывания – одностороннего и двустороннего всасывания;
по числу ступеней – одноступенчатые и многоступенчатые, работающие, как и многоступенчатые центробежные насосы.

Осевые вентиляторы

Этот тип вентиляторов иногда называют аксиальными вентиляторами, поскольку перемещение потока в них осуществляется вдоль оси рабочего колеса. Еще одно название осевых вентиляторов, издавна укрепившееся в быту – пропеллеры.

Осевой вентилятор представляет собой расположенное в цилиндрическом кожухе (обечайке) лопаточное колесо, при вращении которого поступающий через входное отверстие воздух под воздействием лопаток перемещается между ними в осевом направлении. На рис. 3 показан простейший осевой вентилятор, состоящий из двух основных частей – осевого лопаточного колеса 1, расположенного на одном валу с двигателем, и цилиндрического корпуса (кожуха) 2.

Колесо осевого вентилятора состоит из втулки, на которой закреплены наглухо или в которую встроены лопатки. Число лопаток на колесе обычно от 2 до 32. Лопатки изготавливают симметричного или специального несимметричного профиля, расширяющегося и закручивающегося по мере приближения к втулке. Осевые вентиляторы с лопатками симметричного профиля называют реверсивными, а с лопатками несимметричного профиля – нереверсивными.

Колеса осевых вентиляторов делают сварными из листовой стали или литыми; они бывают также штампованными. В последнее время получили широкое распространение вентиляторы из пластмасс.

Кожух осевого вентилятора имеет цилиндрическую форму (обечайку) и роль его более ограничена, чем у центробежных вентиляторов, так как поток воздуха (газа) проходит вдоль оси вентилятора, и на его движение обечайка почти не оказывает влияние.
Диаметр кожуха не должен превышать 1,5 % длины лопатки колеса, так как большие зазоры между колесом и кожухом резко снижают аэродинамические качества осевого вентилятора.
При отсутствии всасывающего воздуховода на входе устанавливают коллектор, обеспечивающий хорошее заполнение входного сечения вентилятора, а также устанавливают обтекатель.
Для понижения скорости потока (преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления) на выходе из вентилятора иногда устанавливают диффузор.

Сравнительные характеристики центробежных и осевых вентиляторов

Центробежные вентиляторы, по сравнению с осевыми, способны создавать большее давление на выходе, поэтому их целесообразно применять для подачи воздуха при значительном давлении. Поэтому их часто применяют в системах вентиляции со сложной разветвленной сетью воздуховодов, в системах пневмотранспорта материалов, в котельных установках в качестве тягодутьевых устройств, и в системах кондиционирования воздуха.

Осевые вентиляторы не способны создавать высокого давления, подобно центробежным, но имеют больший КПД, они способны работать реверсивно (т. е. в обратном направлении), более просты в изготовлении (а значит и дешевле), балансировке, монтаже и обслуживании, имеют меньшие габариты и вес. В связи с этим осевые вентиляторы чаще всего применяют для проветривания помещений, вентиляции шахт, тоннелей и т. п. – там, где не требуется создание относительно высокого давления потока воздуха (газа).

Работа вентиляторов сопровождается шумом, интенсивность которого обусловливается типом вентилятора, режимом его работы, качеством изготовления и монтажа. Снижению шумов способствует установка вентилятора на одном валу с двигателем, применение специальных виброгасителей при креплении на станине, качественная балансировка ротора, тщательная обработка и отделка поверхностей лопаток рабочего колеса, мягкое соединение с воздуховодами.

Обозначение вентиляторов

В настоящее время промышленность выпускает вентиляторы многих типов и серий. Каждому вентилятору присваивается условное обозначение – индекс, в котором указаны:

давление, создаваемое вентилятором: н.д. – низкое, с.д. – среднее, в.д. – высокое давление;
назначение вентилятора: Ц – центробежный общего назначения, ЦП – пылевой и т. д.;
коэффициент давления при оптимальном режиме – цифрой, соответствующей 10-кратной величине этого коэффициента (с округлением до целых единиц);
удельная частота вращения (быстроходность) – цифрой, округленной до целых единиц;
номер вентилятора – цифра или число, соответствующее диаметру колеса в дециметрах.

Пример обозначения центробежного вентилятора: н.д. Ц4-70 № 8, что означает центробежный вентилятор общего назначения низкого давления с коэффициентом давления 0,403, быстроходностью 70 и диаметром рабочего колеса 800 мм.

Рабочие параметры и характеристики вентиляторов

К основным техническим характеристикам вентиляторов относятся подача, полное давление, КПД, потребляемая мощность, критерий быстроходности.

Подача вентиляторов

Подача вентилятора L (м 3 /ч или м 3 /сек) – объем газа (или воздуха), перемещаемого вентилятором за единицу времени.
В общем случае подача вентилятора может быть определена, как произведение площади живого сечения потока газа в выходном отверстии вентилятора на соответствующую проекцию абсолютной скорости потока на выходе из рабочего колеса:

где:
S_вых – площадь выходного отверстия, которая принимается с учетом коэффициента стеснения потока лопатками, равного 0,9…0,95;
с_v2 – проекция абсолютной скорости потока газа: для центробежных вентиляторов – радиальная проекция, для осевых – осевая проекция.

При выборе вентилятора для конкретных практических нужд используют аэродинамические характеристики-графики, устанавливающие зависимость между основными рабочими параметрами вентилятора и расходом газа (воздуха). Пример такой аэродинамической характеристики вентилятора приведен внизу на рис. 4 .

Полное давление вентилятора

Полное давление р_п вентилятора зависит от плотности газа (его физическая характеристика), коэффициента давления и скорости потока (кинематические характеристики), и определяется на основе уравнения Эйлера:

где:
ρ – плотность газа;
ψ – коэффициент давления вентилятора; ψ = η_г φ₂ (здесь η_г – гидравлический КПД вентилятора, φ₂ — коэффициент закручивания потока, определяемый из отношения проекции скорости потока к его абсолютной скорости);
v₂ –скорость потока на выходе из колеса.

Мощность вентилятора

Теоретическая мощность вентилятора, передаваемая перемещаемой среде, определяется по формуле:

Действительная мощность N, потребляемая вентилятором, значительно отличается от полезной вследствие гидравлических потерь энергии при протекании воздуха внутри вентилятора. Эти потери складываются из потерь на вихреобразование у кромок лопастей и лопаток, перетекание воздуха через зазоры между колесом и кожухом вентилятора и механических потерь на трение.

КПД вентиляторов

КПД – отношение полезной мощности к потребляемой вентилятором от приводного устройства:

Полный КПД вентиляторов, как и КПД насосов, может быть определен в виде произведения трех составляющих:

где: η_г – гидравлический КПД (потери в потоке), η_о – объемный КПД (утечка через зазоры), η_м – механический КПД (трение).

Полный КПД центробежных вентиляторов (в зависимости от быстроходности и конструкции лопаток) составляет от 0,65 до 0,85. У осевых вентиляторов он не превышает 0,9.

При подборе электродвигателя для вентиляторной установки используют коэффициент запаса К = 1,05…1,2 для осевых вентиляторов, и К = 1,1…1,5 – для центробежных вентиляторов.

Критерий быстроходности вентиляторов

Центробежные и осевые вентиляторы, как и насосы, удобно классифицировать по удельной частоте вращения (критерию быстроходности). Критерий быстроходности характеризует аэродинамические качества вентилятора – его способность создавать большее или меньшее давление.
Для оптимальной работы вентилятора при ρ = 1,2 кг/м 3 критерий быстроходности определяется по формуле:

где:
L – подача в м 3 /с;
ω – угловая скорость в с -1 ;
р_п – давление в Па.

Для геометрически подобных вентиляторов (имеющих одинаковую конструкцию и форму при разных габаритах) критерий быстроходности будет одинаковым. Для центробежных вентиляторов критерий быстроходности составляет 40…80, а для осевых – 80…300. Осевые вентиляторы при прочих равных условиях (в частности, при одинаковой угловой скорости колеса) развивают меньшее давление по сравнению с центробежными, поэтому значение nуд у них выше (т. е. для получения необходимого давления требуется более высокая скорость вращения).

Использование критерия быстроходности облегчает подбор и расчет вентиляторов, так как быстроходность входит в индекс вентиляторов. По индексу можно судить о давлении, развиваемом вентилятором.

На рис. 4 представлена универсальная аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора, на которой графически изображены все допустимые или оптимальные для данного вентилятора режимы его работы. Пользуясь универсальной аэродинамической характеристикой, можно выбрать наиболее эффективный режим работы вентилятора, при котором его КПД будет иметь максимальное значение.

Пример решения задачи на подбор вентилятора

Задача
Определить давление, развиваемое центробежным вентилятором, если коэффициент давления ψ = 0,9, частота вращения рабочего колеса n = 1450 мин -1 , наружный диаметр колеса D₂ = 0,4 м, а плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м 3 .

Решение.
Окружную скорость на наружном диаметре рабочего колеса определяем по формуле:

Источник