Лекции по “Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха ”

Раздел 5. Вентиляторы  и вентиляционные сети.

 

5.1. Классификация вентиляторов

       Вентилятором называется устройство, предназначенное для создания избыточного давления воздуха или другого газа (до 15 кПа) при организации воздухообмена, транспортировании аэросмесей по трубопроводам и пр.

В СКВ наибольшее применение находят осевые и центробежные вентиляторы.

       Осевым вентилятором называется вентилятор, в котором воздух (или газ) перемещается вдоль оси рабочего колеса, приводимого в движение электродвигателем.

       В центробежных вентиляторах перемещение воздуха происходит под воздействием центробежных сил, которые возникают при вращении рабочего колеса. Преобразование кинетической энергии воздуха в потенциальную, то есть повышение давления воздуха при уменьшении скорости, обеспечивается расширяющейся частью корпуса  диффузором.

       Вентиляторы соединяются  с электродвигателем непосредственно  (жесткое соединение, эластичная  муфта) или через передачу (клино-ременная, механическая регулируемая).

 

5.1.1 Центробежные вентиляторы

        Центробежный вентилятор состоит из спирального кожуха и рабочего колеса с лопатками. При вращении рабочего колеса воздух попадает в каналы между его лопатками и вытесняется ими к периферии колеса. Под действием центробежных сил воздух отбрасывается в спиральный кожух и далее направляется в нагнетательное отверстие.

Изготавливаются вентиляторы  одностороннего и двухстороннего всасывания, правого и левого вращения.

Центробежные вентиляторы  по создаваемой разности полных давлений (при плотности воздуха на входе = 1,2 кг/м³) можно разделить на три группы:

• низкого давления – разностью полных давлений до 100 Па;
• среднего давления – до 300 Па;
• высокого давления – до 1500 Па.

Центробежные вентиляторы  также могут быть:

• общего назначения;
• специального назначения.

       Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения воздуха и других газовых смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям обычного качества не превышает агрессивность воздуха с температурой до 80^оС. Кроме этого, переносимые воздух и газовые смеси не должны содержать пыль и другие твердые примеси в количестве, превышающем 100 мг/м³, а также липкие вещества и волокнистые материалы. Для вентиляторов двустороннего всасывания с расположением ременной передачи в перемещаемой среде температура перемещаемой среды не должна превышать 60^оС.

       Радиальные  вентиляторы имеют диаметр колес от 0,25 до 2,0 м. Колесу присваивается номер, выраженный в дециметрах (2,5-20), который численно равняется диаметру колеса.

       Вентиляторы специального назначения применяются для работы в агрессивных средах: для перемещения газа с высокой температурой, газопаровоздушных, взрывоопасных смесей и др.

       По назначению  эти вентиляторы подразделяются  на пылевые, коррозионностойкие, искрозащищенные, тягодутьевые, шахтные, мельничные и др.

       Вентиляторы,  предназначенные для перемещения  невзрывоопасных неабразивных пылегазовоздушных смесей с различными механическими примесями, называются пылевыми. В обозначении этих вентиляторов добавляется буква П.

       Пылевые  вентиляторы применяются для удаления древесных стружек, металлической пыли от станков, пневмотранспорта для зерна и в других целях. Чтобы транспортируемые материалы не застревали в рабочем колесе и корпусе, число лопаток делается небольшим и увеличивается зазор между входным патрубком и колесом. Вследствие этого КПД пылевых вентиляторов низкий.

       В конструкциях коррозионно-стойких вентиляторов, предназначенных для перемещения агрессивных смесей, применяются материалы, устойчивые к воздействию этих смесей (нержавеющая сталь, титановые сплавы, винипласт, полипропилен).

       Искрозащищенные вентиляторы подразделяются на вентиляторы с повышенной защитой от искрообразования и искробезопасные.

       В вентиляторах с повышенной защитой от искрообразования предусмотрены меры, обеспечивающие защиту от возникновения опасных искр только в режимах нормальной работы вентилятора. Такие вентиляторы изготавливаются из алюминиевых сплавов или разнородных металлов.

        В искробезопасных вентиляторах предусмотрены меры защиты от искрообразования как при нормальной работе, так и при возможном кратковременном трении рабочего колеса о корпус вентилятора. Эти вентиляторы выполнены на основе алюминиевых сплавов с антистатическим пластмассовым покрытием (графитонаполненный полиэтилен или графитонаполненный пентопласт). Электропривод имеет взрывозащищенное исполнение.

       Тягодутьевые вентиляторы различают двух видов: дымососы и дутьевые.

        Дымососы применяют для отсасывания дымовых газов с температурой до 200 . Поскольку газы содержат твердые частицы золы, вызывающие износ деталей дымососа, лопатки рабочего колеса делают утолщенными, а внутреннюю поверхность обечайки корпуса покрывают броневыми листами. Ходовая часть дымососов имеет охлаждающий элемент в виде термомуфты или змеевика охлаждения масла в узле подшипников. Поэтому корпусы подшипников ходовой части дымососов изготавливают в виде литых или сварных коробок, внутри которых находится масло. В обозначении дымососа, например DH-15, используются следующие индексы: D – дымосос, Н – лопатки рабочего колеса загнуты назад, 15 – диаметр рабочего колеса в дециметрах.

       Дутьевые вентиляторы предназначены для подачи воздуха в топочные камеры котельных установок. Изготавливаются дутьевые вентиляторы номеров 8-36.

       Вентиляторы  горячего дутья типа ВГД и  ГД предназначены для подачи  первичного воздуха с температурой  до 400^оС. Устанавливать дутьевые вентиляторы можно только после аппаратов очистки. До вентиляторов и после них необходимо устанавливать тепловые компенсаторы расширения проводящих и отводящих участков сети.

        Мельничные вентиляторы предназначены для пневматического транспортирования неагрессивной угольной пыли в системах пылеприготовления котлоагрегатов.

        Шахтные вентиляторы используют в вентиляционных системах рудников для обеспечения больших расходов и давлений воздуха.

     

5.1.2. Диаметральные вентиляторы.

       Диаметральный вентилятор имеет рабочее колесо барабанного типа и несимметричный коленообразный корпус. Несимметричное расположение рабочего колеса обеспечивает образование потока воздуха в сторону меньшего сечения. Диаметральные вентиляторы с широкими колесами могут подсоединяться непосредственно к воздуховодам, имеющим сечение в форме вытянутого прямоугольника. Диаметральные вентиляторы могут создавать значительные давления даже при невысоких окружных скоростях рабочих колес, поскольку поток воздуха дважды пересекает лопаточное колесо. Однако диаметральные вентиляторы имеют низкий КПД. По этой причине они применяются в установках, в которых требуется плоский равномерный поток воздуха одинаковой ширины, а именно в воздушных завесах, фанкойлах, внутренних блоках сплит-систем.

 

5.1.3. Осевые вентиляторы

       Осевые вентиляторы применяются в системах приточно-вытяжной вентиляции при суммарных потерях полного давления вентиляционной сети до 35 Па. Максимальная окружная скорость рабочего колеса – до 60 м/с.

 

5.2. Основные  характеристики вентиляторов

 

5.2.1 Объемный расход  воздуха

       Объемный расход воздуха вентилятора L – величина объема воздуха υ, подаваемого вентилятором через некоторую поверхность, S за единицу времени t.

                                        

                                      (5.1)

       Массовый  расход воздуха, создаваемый вентилятором, определяется по формуле:                                                                              

                                                  М = ρvS, кг/с,                                                (5.2)                   

где ρ – плотность воздуха, кг/м³; v – скорость потока воздуха, м/с. Это уравнение является следствием из закона сохранения массы. Из уравнения видно, что в течение некоторого промежутка времени возрастание массы, находящейся в данном объеме, должно быть равно массе среды, поступающей в этот объем, то есть                                                                                                     

                                                          ρvS = соnst.                                              (5.3)

 

При этом следует помнить, что если рассматривается поток  в воздуховоде, то v является средней скоростью, так как вдоль стенок воздуховода скорость равна нулю (пограничный слой), затем она возрастает и достигает максимума на линии оси симметрии потока.

       Это  утверждение не относится к  сжимаемым средам, например, газам  или парам в процессе сжатия или расширения.

 

5.2.2 Давление

        Давление (напор) – энергия, которую приобретает единица объема газа, проходящая через вентилятор. В соответствии с законом сохранения энергии, полная механическая энергия идеальной несжимаемой среды в стационарном течении сохраняется постоянной. На основании этого закона Бернулли (швейцарский математик, 1700 – 1782) выведено уравнение:

 

                                                                                                     (5.4)

 

где Р_п  – полное давление, Па; Р_ст – статическое давление, Па; ρ – плотность (газа), кг/м³; υ – средняя скорость газа, м/с; ρv²/2 – скоростной напор или динамическое давление, Па.

       На рис. 5.1 показано  распределение давления в воздуховодах  с избыточным давлением и разряжением. Измерение этих давлений производится трубками Пито или Прандля.

       Рассмотрим  воздушный поток, двигающийся по воздуховоду со скоростью υ. Если один вход дифференциального манометра подключить к трубке отбора давления, ось которой находится на стенке воздуховода и перпендикулярна

 

 

Рис 5.1. Распределение давлений в воздуховодах:

а – с избыточным давлением; б – с разрежением

вектору скорости воздушного потока, а второй вход сообщен с атмосферой, то дифференциальный манометр, измеряющий разность давлений, покажет величину статического давления Р_ст.

       Если  трубку отбора давления поместить в центре потока, повернув отверстие трубки навстречу потоку, а второй сообщить с атмосферой, то дифференциальный манометр покажет полное давление Р_п.

       Если  отверстие трубки отбора давления  поместить в центре потока, а  второй вход подключить к стенке воздуховода, то на входном конце будет полное давление, а на выходном – статическое. Разность этих давлений есть скоростной напор или динамическое давление. Исходя из уравнения Бернулли,

              

                                                                                                         (5.5)

 

Для воздуха, приняв ρ = 2 кг/м³ получим V_ср = 1,3 √ Р_д;  Р_д = 0,6V²

 

5.2.3 Коэффициент полезного  действия вентилятора

 

       Если  каждой единице объема воздуха,  прошедшей через вентилятор, сообщается давление , то полезная мощность воздуха, выходящего из вентилятора, составит:

                                                     N_п = ∆Р * L                                                   (5.6)

 

       Электродвигатель  вентилятора потребляет электрическую мощность . Эта мощность преобразуется в механическую мощность на валу электродвигателя Мощность на валу меньше потребляемой мощности и зависит от КПД электродвигателя :

                                                      N_в = N_э * η_э                                                   (5.7)

 

       Часть мощности  на валу передается потоку  воздуха, проходящему через вентилятор, и является полезной мощностью.

       Полезная мощность  вентилятора меньше чем мощность  на валу на величину потерь мощности в вентиляторе. Потери мощности в вентиляторе включают потери при различных видах трения в рабочем органе вентилятора (механические потери), потери из-за утечек и перетоков воздуха из области высокого давления в область низкого давления (объемные потери), потери из-за аэродинамических сопротивлений в рабочем колесе, в деталях привода и подачи воздуха. Эти потери учитываются КПД нагнетателя :

 

                                                   N_п = N_в * η_н                                                     (5.8)

            

       Таким  образом, полезная мощность вентилятора  равна:

 

                                                 N_п = ∆Р * L = N_э η_э η_н                                        (5.9)

Для однофазных электродвигателей:

 

                                                     N_э1 = I* U* соsΨ                                              (5.10)