Классификация вентиляторов

На рис. 5.3.3 приведена безразмерная характеристика радиального вентилятора Ц4-70. Обычно при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха такими характеристиками не пользуются, так как выбор производится из серийных вентиляторов, на которые имеются разработанные индивидуальные характеристики. Однако в случае если возникает необходимость в применении несерийного вентилятора, индивидуальную характеристику можно получить с помощью безразмерной.

 

 

Рис. 5.3.1 Индивидуальная характеристика радиального вентилятора (построена в линейном масштабе)

 

Индивидуальные характеристики строят в следующих координатах:

 

 (5.12)

 

Рис. 5.3.2. Совмещенная характеристика радиального вентилятора 

 
 

 

Рис. 5.3.3. Безразмерная характеристика радиального вентилятора

 

Рис. 5.3.4. Индивидуальная характеристика радиального вентилятора (построен в логарифмическом масштабе)

 

Характеристика полного давления определяет   зависимость разности полных давлений на входе и выходе вентилятора   и от подачи  .

В зависимости от величины потерь в вентиляторе форма характеристики полного давления может быть полого падающей, круто падающей или иметь впадину в области малых подач.

Характеристика   определяет затраты энергии, необходимой для преодоления потерь внутри вентилятора и присоединенной к нему сети.

Учитывая, что затраты минимальны при нулевом расходе, запускать нагнетатели в работу рекомендуется при закрытых регулировочных элементах. В этом случае пусковой ток будет минимальным и не произойдет перегрузки двигателя.

Характеристика   позволяет оценить эффективность работы вентилятора при различных режимах. С ростом подачи полный КПД сначала увеличивается, а затем, достигнув максимума, уменьшается.

Режим работы вентилятора, соответствующий максимальному значению КПД , называют оптимальным. Рабочим участком характеристики вентилятора принято считать ту ее часть, где 

Индивидуальные характеристики строятся для различных скоростей вентилятора.

Верхняя кривая   (рис. 5.3.1) соответствует режиму с максимальной частотой вращения. Нижняя характеристика строится для наименьших давлений, при которых использование данного вентилятора еще целесообразно.

Кривые, соединяющие точки равных КПД, представляют собой квадратичные параболы. Крайняя кривая линия КПД, совпадающая с характеристикой динамического давления  , определяет условия работы вентилятора без сети  . Область ниже этой кривой представляет собой область неэффективного использования вентилятора (нерабочая зона).

Для определения режимов работы вентилятора по индивидуальной характеристике находят точку А, соответствующую заданным значениям   и  . После этого определяют частоту вращения рабочего колеса, КПД и потребляемую мощность. По полученным данным подбирают электродвигатель и передачу. При подборе вентилятора следует стремиться к тому, чтобы частота вращения вентилятора совпадала со стандартной частотой электродвигателя, а рабочая точка А располагалась в рабочей области вентилятора. Если на характеристике не нанесены значения  , то затраченную мощность определяют по формуле:

, (5.13)

Индивидуальные характеристики приведенные в каталогах, построены в логарифмической сетке. Особенностями этих характеристик является отсутствие нулевых значений давлений и подачи, линии КПД являются прямыми (рис. 5.3.4).

Безразмерные характеристики осевых вентиляторов относятся к его внешнему диаметру или к окружной скорости на внешнем диаметре. Эти параметры меняются вдоль радиуса.

В осевых вентиляторах характеристика   часто имеет седлообразную форму (рис. 5.3.5).

В зависимости от величины угла выхода лопатки рабочего колеса различают (рис. 5.3.6):

– загнутые назад лопатки  ; – радиально оканчивающиеся лопатки  ; – загнутые вперед лопатки 

 

 
Рис. 5.3.5. Полная аэродинамическая характеристика осевого вентилятора 

Качество преобразования динамического давления вентилятора в статическое оценивается коэффициентом давления, который равен отношению полного давления к динамическому:

 (4.3.3)

 

Теоретически коэффициент давления лопаток, загнутых назад, может быть равен 4, радиально заканчивающихся – 2.

 
Особенности вентиляторов с загнутыми вперед лопатками

Преимущества: высокие значения давлений и подачи воздуха; с увеличением подачи увеличивается давление; меньшие окружные скорости.

Недостатки: крутой подъем характеристики потребляемой мощности (возможен перегрев двигателя); низкий КПД; повышенный уровень шума.

 
Особенности вентиляторов с загнутыми назад лопатками

Преимущества: с увеличением подачи потребляемая мощность не изменяется; высокий КПД; низкий уровень шума.

Недостаток: с увеличением подачи давление уменьшается.

Особенности вентиляторов с радиально заканчивающимися лопатками

Преимущества: давление не зависит от подачи; низкий уровень шума; высокий КПД.

Недостаток: с увеличением подачи увеличивается потребляемая мощность и уровень шума.

Рис. 4.3.6. Схема установки листовых лопаток радиального вентилятора:

а– лопатки, загнутые назад ; б – радиально заканчивающиеся

лопатки ; в – лопатки, загнутые вперед 

 

5.4. Вентиляционные сети

5.4.1. Работа вентилятора  в сети

Сетьюназывают систему воздуховодов и других элементов воздушного тракта, на которые подает воздух вентилятор. Сеть может состоять из элементов тракта, подсоединенных последовательно, параллельно или смешано.

Каждая сеть характеризуется потерями давления, которые можно разделить на потери по длине всех элементов и местные потери.

 

где   – удельные потери давления по длине  -го участка сети;   – длина  го участка сети;   – скорость воздуха в  -м участке сети;   – плотность воздуха;

 – коэффициент местных сопротивлений  -го элемента;   – диаметр  -го участка сети;   – площадь сечения  го участка сети; К – коэффициент, являющийся константой для данной сети, а также аэродинамической характеристикой сети.

 

 

 
Рис. 5.4.1. Виды характеристик вентиляционной сети 

Уравнение (5.4.1) принято называть характеристикой сети. Из этого уравнения вытекает, что характеристика сети есть степенная функция.

Однако встречаются и другие характеристики:   – для сети с постоянным статическим сопротивлением, например, продувка воздуха через слой жидкости в пенном аппарате (рис. 5.4.1, а).

 – для сети со статическим сопротивлением и потерями давления при турбулентном режиме (рис. 5.4.1, ).

 – для сети с ламинарным течением жидкости, при продувке воздуха через фильтр (рис. 5.4.1, с).

 – для сети с сопротивлением при политропическом течении (рис. 5.4.1, ).

 

Если сеть состоит из большого числа различно соединенных элементов, то при расчете применяется принцип суперпозиции.

При последовательном соединении участков сети суммарные потери определяются как сумма потерь давления на каждом участке и характеристики их графически суммируются:

 (5.4.2)

При параллельном соединении:

 

 (5.4.3)

 (5.4.4)

 

То есть при параллельном соединении расход воздуха на каждом участке обратно пропорционален корню квадратному из значения параметра К для каждого участка.

При смешанном соединении для получения суммарной характеристики сети необходимо определить характеристику каждой группы участков, соединенных параллельно, а затем полученные характеристики сложить с остальными, как при последовательном соединении.

Режим работы вентилятора в сети определяется совместным решением характеристик вентилятора и сети.

Эта задача решается, как правило, графически методом наложения. Для этого строят в одинаковом масштабе графики зависимости давления вентилятора и сети от расхода. Точка пересечения этих кривых однозначно определяет режим работы вентилятора в этой сети 

 

 

Рис. 5.4.2. Характеристика вентилятора 

 

На рис. 4.4.2 приведены совмещенные характеристики вентилятора и сети для прямоугольного канального вентилятора   производства концерна (Швеция).

Кривые 1 -5 являются зависимостью   при пяти различных значениях напряжения питания электродвигателя вентилятора. Кривая 6 является характеристикой сети  .

Точка пересечения одной из кривых 1-5 и кривой 6 определяет режим работы вентилятора в данной сети.

Для нормальной работы вентилятора необходимо обеспечить равномерный подвод воздуха к входу вентилятора и минимальные потери давления вентилятора. Для этого необходимо, чтобы элементы сети были удалены от входа и выхода вентилятора на расстояние  , где   – диаметр вентилятора. Однако это условие, как правило, реализовать не удается, в связи с чем возникают дополнительные потери давления и перегрев электродвигателя.

В качестве выходных элементов применяются отводы, переходы с одной формы сечения на другую, диффузоры и др.

Отводы должны направлять поток воздуха так, чтобы направление отвода продолжало направление спирали кожуха (рис. 5.4.3, а). Обратное направление (рис. 5.4.3, б) недопустимо, так как значительно возрастают гидравлические потери.

Особое внимание следует обращать на конструкцию диффузоров, устанавливаемых на выходе вентиляторов. Диффузоры предназначены для преобразования динамического давления в статическое с минимальными потерями. Угол раскрытия диффузора на каждую сторону определяют в пределах   и при одностороннем раскрытии – до 25° (рис.5.4.3, г).

Потери давления во входных и выходных элементах   вентиляторов определяются в долях динамического давления :

 

 (5.4.5)

 

Значения коэффициента для различных элементов приведены в таблице 5.4.1.

 

 

Рис. 5.4.3. Выходные элементы вентиляционных решеток

 

Таблица 5.4.1. Ориентировочные значения выходных элементов

вентиляционных установок

 

 

5.4.2. Аэродинамический расчёт воздухораспределительных  сетей

 

Расчет воздуховодов достаточно подробно изложен в [29], поэтому мы приведем только упрощенную методику и пример расчета.

Существует два метода расчета воздухораспределительных сетей:

метод допустимых скоростей;

метод постоянной потери давления.

Оба метода позволяют проектировать вентиляционную сеть, которая обеспечит:

требуемую производительность по воздуху;

минимальные потери давления;

минимальный уровень шума;

скорость воздуха, допустимую санитарными нормами;

минимальный объем, занимаемый воздуховодами.

 

Приведем методику расчета воздухораспределительной сети методом допустимых скоростей.

1. Чертят схему сети  воздуховодов с расчетными расходами  воздуха по помещениям и находят  самый удаленный от вентилятора  и нагруженный участок сети.

 

Таблица 5.4.2. Скорость воздуха из приточной решетки, исходя из допустимого перепада температур

 

 

2. Выбирают скорость воздуха  в приточных, вытяжных решетках  и воздуховодах, исходя из допустимого  перепада температур (табл. 5.4.2), назначения  помещения (табл. 5.4.3), допустимой скорости  воздуха в вытяжных решетках (табл. 5.4.4), допустимого уровня шума (табл. 5.4.5).

 

Таблица 5.4.3. Ориентировочные значения уровня шума, создаваемые потоком воздуха

 

 

Таблица 5.4.4. Рекомендуемые скорости в вытяжных решетках

 

 

Таблица 5.4.5. Скорость воздуха в воздуховоде, исходя из допустимого уровня шума

 

 

Рис. 5.4.4, а. Номограмма для расчета круглых стальных воздуховодов при расходе воздуха до 100 м!/ч и скорости воздуха от 0,1 до 4 м/с

 

 
 

 
3. По известным расходам воздуха  в каждом сечении воздуховода  и скорости воздуха по номограммам (рис. 5.4.4) определяют диаметр воздуховода  круглого сечения 

Для воздуховодов прямоугольного сечения за расчетную величину   принимают эквивалентный диаметр , при котором потери давления в круглом воздуховоде при той же скорости равны потерям в прямоугольном воздуховоде:

 

 (5.4.5)

 

где А и В – размеры сторон прямоугольного воздуховода.

 

4. По номограммам (рис. 5.4.4, а, б, в) определяют удельные потери  давления в воздуховодах ( ). В случае применения воздуховодов заводского производства удельные потери давления берут из паспортных данных.

По полученным данным определяют суммарные потери давления в сети воздуховодов по формуле:

 

, Па, (5.4.6)

 

где  – удельные потери давления в воздуховодах, Па;   – длина воздуховодов, м.

 

5. Определяют потери давления  на местные сопротивления по  формуле:

 

 (5.4.7)

где – коэффициент местных сопротивлений на  -м участке сети.

 

Коэффициент местных сопротивлений определяют по справочной литературе [28].

Для комплектующих изделий (решетки, диффузоры, фильтры и др.) потери давления приводятся в паспортных данных. На рис. 4.4.7 приведены данные по потерям давления для диффузоров фирмы  и на рис. 10.4.6 – для гибких воздуховодов 

6. Определяют полные потери  давления в самом напряженном  участке сети (полное располагаемое  давление):

 

 (5.4.8)

 

7. Располагаемое давление  для последующих ответвлений  сети воздуховодов определяют  как сумму потерь давления  на участках сети до заданного  ответвления.