Особенности установки и выбора осевых вентиляторов
Т. С. Соломахова, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «ЦАГИ», председатель ТК 061 «Вентиляция и кондиционирование», otvet@abok.ru
В последнее время осевые вентиляторы широко применяются в вытяжных вентиляционных системах и системах подпора. При этом возникает проблема правильного использования приведенных в каталогах аэродинамических характеристик вентиляторов при различных компоновках в сети. В статье излагаются особенности характеристик осевых вентиляторов, связанные с расчетом динамического давления. Даются рекомендации по выбору осевых вентиляторов при различных вариантах их установки в сети.
Среди различных вариантов установки осевых вентиляторов в вентиляционной сети можно выделить две принципиально разные схемы компоновки:
– Компоновка 1 (рис. 1а). Вся сеть с сопротивлением R1 располагается перед входом в вентилятор (вытяжная система). Выход воздуха осуществляется в атмосферу или в большой объем.
– Компоновка 2 (рис. 1б). Основная сеть с сопротивлением R2 находится за вентилятором (нагнетательная система). Перед вентилятором также может располагаться участок сети с сопротивлением R1. Такая компоновка осевого вентилятора, встроенного в систему воздуховодов, наиболее широко применяется в вентиляционных системах.
Схемы компоновки осевых вентиляторов в вентиляционной сети: а) сеть располагается на стороне всасывания; б) сеть располагается на стороне нагнетания
Существуют определенные требования к системе воздуховодов, которые непосредственно примыкают к входному и выходному сечениям осевого вентилятора [1]. Эти воздуховоды должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 3 калибра перед и не менее 2,5 калибров за вентилятором. За калибр принимается диаметр D корпуса вентилятора. Поперечные сечения примыкающих воздуховодов должны совпадать с поперечным сечением корпуса вентилятора. Несоблюдение указанных выше условий приводит к нарушению устойчивой работы вентилятора и к существенному снижению его паспортной аэродинамической характеристики.
При выборе вентилятора, установленного в сети, кроме его производительности необходимо задавать создаваемое вентилятором давление, которое должно соответствовать сопротивлению сети. Указанные выше схемы установки осевого вентилятора предусматривают различные способы задания необходимого давления.
Полным давлением вентилятора pv в соответствии с ГОСТ 10616–90 [2] называют разность полных давлений при выходе р2 из вентилятора и при входе р1 в него:
Полное давление вентилятора складывается из статического psv и динамического давления pdv:
Именно статическое давление является полезным, поскольку оно расходуется на преодоление сопротивления системы. Поэтому очень важно, чтобы вентиляторы имели высокие значения статического давления. Полное или статическое давление определяется фактически непосредственно из испытаний вентилятора на стенде. Динамическое давление является условной величиной и рассчитывается по среднерасходной осевой составляющей скорости v2 по площади F2 выходного сечения вентилятора:
В соответствии со стандартами [3, 4] для определения аэродинамических характеристик вентиляторов существует четыре типа стендов (рис. 2), соответствующих стандартным компоновкам вентиляторов в сети:
А – свободный вход и выход;
В – свободный вход и выход в нагнетательный трубопровод;
С – вход из всасывающего трубопровода и свободный выход;
D – вход из всасывающего трубопровода и выход в нагнетательный трубопровод.
Четыре типа стендов для определения аэродинамических характеристик вентиляторов
При испытаниях осевых вентиляторов все стенды должны иметь вспомогательный вентилятор наддува для получения характеристики вплоть до режимов, близких к нулевому статическому давлению или даже к отрицательному статическому давлению.
В соответствии с европейским регламентом [5], определяющим критерии эффективности вентиляторов, при испытаниях на стендах типа А и С со свободным выходом потока из вентилятора должно рассматриваться измеренное статическое давление. А при испытаниях на стендах типа B и D с трубопроводом на выходе должно рассматриваться измеренное полное давление.
Для расчета динамического давления вентилятора необходимо учитывать фактическое его выходное сечение. На стендах типа А и С за выходное сечение следует принимать кольцевое сечение между корпусом вентилятора и втулкой или двигателем, установленным за колесом вентилятора. На стендах типа В и D, когда на выходе из вентилятора установлен воздуховод, за выходное сечение следует принимать сечение воздуховода в виде круга, отстоящее на некотором расстоянии от выхода из вентилятора. На этом участке происходит переход потока из кольцевого сечения в круговое сечение воздуховода (рис. 3): осуществляется выравнивание поля скоростей. Для осевых вентиляторов рекомендуется принимать эффективную длину L этого участка, равную 1,25 калибра [1].
Присоединенный участок вентилятора с эффективной длиной L
Будем называть этот участок присоединенным участком вентилятора. Выравнивание поля скоростей сопровождается дополнительными потерями давления, которые могут быть условно рассчитаны как потери на удар, по известной формуле Борда-Карно [6] в виде:
где F0 и F1 – площади кольцевого и кругового сечений. Для осевого вентилятора отношение:
где D – диаметр корпуса, d – диаметр втулки, v = d/D – относительный диаметр втулки.
Формулы (4, 5) для расчета потерь давления в присоединенном участке воздуховода могут быть приведены к простому виду:
Одновременно присоединенный участок играет роль диффузора, и при его наличии статическое давление вентилятора возрастает (рис. 4). Фактически при таких испытаниях на стендах типа B и D определяется характеристика вентилятора с присоединенным участком сети.
Характеристики осевого вентилятора, полученные на стендах типа А и типа В
При выходе из осевого вентилятора, особенно при отсутствии спрямляющего аппарата (СА), установленного за колесом, поток закручен. Кроме осевой имеется окружная составляющая скорости, которая не учитывается при расчете динамического давления вентилятора. Закрутка течения может распространяться на значительное расстояние в воздуховоде. При этом в центре воздуховода возникает возвратное течение по отношению к основному потоку, что сопровождается дополнительными потерями давления на этом участке воздуховода и во всей системе. Поэтому при отсутствии СА установка трубы за вентилятором может привести к значительному снижению полного давления вентилятора без увеличения и даже при возможном снижении статического давления.
Таким образом, при испытаниях одного и того же осевого вентилятора на стендах различных типов можно получить разные характеристики вентилятора (рис. 4). Отличие по величине давления может составлять 10 и более процентов. Поэтому в каталогах, где приводятся характеристики вентиляторов, обычно указывают, на каких стендах получены характеристики и каким образом рассчитывается динамическое давление вентиляторов. Даются дополнительные шкалы со средней скоростью v2 в выходном сечении и с динамическим давлением pdv вентилятора, которые должны использоваться при расчете статического давления.
При выборе вентилятора для конкретной вентиляционной системы правильнее всего пользоваться характеристиками, полученными на стенде, соответствующем компоновке вентилятора в этой системе. Если не удается использовать такую характеристику в каталоге, то необходимо вводить корректировку параметров рабочего режима. Рассмотрим особенности выбора осевого вентилятора в указанных выше стандартных компоновках.
Компоновка 1
Поскольку вся сеть располагается на стороне всасывания и динамическое давление вентилятора не используется, то сопротивление системы складывается из потерь давления во всасывающем участке сети
Выбор вентилятора должен осуществляться по характеристике статического давления, полученной на стенде типа А или С.
Если в каталоге приведена характеристика, полученная на стенде типа В или D, то рабочий режим необходимо корректировать, поскольку вентилятор в системе используется без присоединенного участка. И создаваемое вентилятором полное давление должно возрасти на величину потерь давления ∆pу в присоединенном участке, а динамическое давление должно быть увеличено и рассчитано с учетом кольцевого выходного сечения (рис. 4).
Поскольку доля динамического давления в полном создаваемом давлении велика, особенно при большом диаметре втулки, то существует возможность снизить величину динамического давления путем установки диффузора [7] за выходным сечением вентилятора (рис. 5). При этом снижается полное и динамическое давление, но возрастет статическое давление вентилятора. При этой компоновке также выгодно использовать вентиляторы со СА (рис. 6). За счет раскрутки потока повышается как полное, так и статическое давление вентилятора.
Характеристики вентилятора без диффузора (сплошные линии) и с диффузором (пунктирные линии)
Характеристики осевого вентилятора без спрямляющего аппарата (сплошные линии) и со спрямляющим аппаратом (пунктирные линии)
Известны варианты установки осевого вентилятора практически без сети, когда воздуховод на входе и на выходе отсутствует. Например, при установке вентилятора в окне или в стене. В этом случае сопротивлением системы является динамическое давление pdv вентилятора и рабочий режим соответствует нулевому статическому давлению, то есть максимальной производительности вентилятора.
Компоновка 2
Особенность компоновки состоит в том, что система воздуховодов располагается за выходным сечением вентилятора. Не исключается возможность установки участков сети перед вентилятором. Общее сопротивление системы складывается тогда из потерь давления R1 и R2 во входном и выходном участках сети и динамического давления потока рd при выходе из нагнетательного участка сети:
Выбор вентилятора должен осуществляться по характеристике полного давления, полученной на стенде типа В или D с учетом динамического давления вентилятора, вычисленного по круговому сечению. Если в каталоге приводится характеристика, полученная на стенде А или С с выходным сечением вентилятора в виде кольца, то характеристику нужно корректировать. Кривая полного давления снизится на величину, соответствующую потерям давления ∆pу в присоединенном участке вентилятора. В этом случае к сопротивлению сети необходимо добавить величину потерь давления ∆pу в примыкающем воздуховоде, вычисленную по формуле (6).
Необходимо отметить очень важную особенность осевых вентиляторов: течение за рабочим колесом является закрученным. Кроме отмеченной выше осевой расходной составляющей скорости v2, существует окружная составляющая, причем величина ее уменьшается от втулки к периферии колеса. Средняя величина этой составляющей скорости c2u зависит от нагруженности колеса, от коэффициента создаваемого давления. Чем выше коэффициент давления вентилятора, тем больше величина скорости c2u.
В связи с этим при работе вентилятора с нагнетательным воздуховодом необходимо использовать осевые вентиляторы со спрямляющим аппаратом, особенно в случае высоконапорных машин. Спрямляющий аппарат обеспечивает частичную или полную раскрутку потока, выходящего из колеса. Увеличивается статическое и полное давление вентилятора (рис. 6). Улучшаются условия стабилизированного течения в нагнетательном воздуховоде.
Таким образом, при выборе вентилятора для заданной сети необходимо учитывать, на каком стенде получены приведенные в каталоге или паспорте характеристики, каким образом рассчитывалось динамическое давление вентилятора. В случае несоответствия схемы испытательного стенда с компоновкой вентилятора в сети необходимо осуществлять корректировку параметров рабочего режима вентилятора.
Источник
Монтаж осевых вентиляторов
Порядок монтажа промышленных осевых вентиляторов
Вытяжное устройство осевого типа предназначается для подачи значительного количества воздуха при небольших аэродинамических сопротивлениях воздушной сети. Состоит осевой вентилятор из колеса и закрепленных на втулке лопастей. Колесо насажено непосредственно на электродвигатель осевого вентилятора. При вращении оно захватывает воздушные потоки, тянет и перемещает его в осевом направлении. Осевые вентиляторы могут работать в реверсивном режиме, т. е. на вытяжку и на приток. По сравнению с радиальными и диаметральными, осевые имеют больший коэффициент полезного действия.
Вентагрегаты поставляются в составе вытяжных или приточных установок, а также самостоятельно. По назначению бывают общего, бытового, специального. Общего назначения используются для перемещения воздуха в чистых или малозагрязненных системах. Специального значения для воздуха, содержащего агрессивные примеси. Это вентиляторы дымоудаления, шахтные, градирен и т. д. К примерам бытового использования простейшего типа осевого вентилятора можно отнести вытяжные установки ванных комнат, санузлов, также обычный настольный вентилятор.
Как уже отмечалось, вентиляционный агрегат состоит из втулки, рабочего колеса, двигателя и лопаток. Колеса изготавливаются из пластмассы или металла, лопатки из листового металла или путем отливки, втулки сварными или литыми. Взрывозащищенные вентиляторы изготавливаются из разнородных металлов: из стали и латуни. Крепятся лопатки к втулке стержнями или сваркой. Количество лопаток зависит от типоразмера агрегата и может достигать до 50 штук.
Вентиляционные агрегаты подбираются по номограммам полного давления, взятых из каталогов производителей. Определение номера вентилятора должно осуществляться так, чтобы значения полного давления сети и расхода воздуха соответствовали максимальному КПД.
Установка осевых вентиляторов может выполняться несколькими способами:
настенным или оконным;
потолочным;
в канале.
Настенный и оконный способ монтажа осевых вентиляторов
При устройстве вентиляции в производственном помещении осевые агрегаты устанавливаются на отметке более 2-х метров. Для подъема агрегата на требуемую высоту используют грузоподъемные механизмы и лебедки.
Монтируют оборудование в заранее выполненный и обрамленный металлическим уголком проем в окне или стене, и закрепляют болтами. Размеры проемов должны соответствовать размерам диаметра рабочего колеса. Вентиляторы большого сечения устанавливают на кронштейны или опорную раму, что снижает нагрузку на стену и обеспечивает конструкции надежность. На раму укладываются резиновые прокладки толщиной не менее 7 мм для уменьшения вибрации и шума от работающего оборудования. К кронштейну или раме вентилятор крепится анкерными болтами, которые затягиваются контргайками.
Со стороны улицы проем должен быть закрыт козырьком в виде полуотвода. Это требуется для защиты системы от попадания осадков, птиц и мусора.
Монтаж осевых вентиляторов на потолке
Такой способ монтажа часто применяется при установке бытового осевого вентилятора в кухнях, ванных и санузлах. Осевые вытяжные устройства сохраняют свою работоспособность в любом положении, главное установить их в соответствии с указанным направлением потока воздуха. Их монтируют в подвесных или натяжных потолках. К вентилятору подводится и закрепляется монтажным скотчем один конец воздуховода, а другой конец подсоединяется к вентиляционному каналу.
В производственных помещениях установка осевых агрегатов на потолке практически не применяется. Исключение составляет монтаж крышных агрегатов, в чью конструкцию входит осевой вентилятор. Они поставляются полностью собранными и имеют так называемый монтажный короб. Вентиляторы закрепляются к железобетонному стакану в кровле, который должен предусматриваться на стадии проектирования. Стакан устанавливается в заводских условиях при изготовлении кровельных покрытий.
При установке крышного осевого вентилятора должна быть обеспечена герметичность стыков между кровлей и стаканом. Под вентилятором со стороны помещения крепится клапан, при выключенном вентиляторе он закрывается и предотвращает обратные потоки воздуха.
Установка осевого вентилятора в канале
К воздуховодам сети вентиляции, в которую монтируется вентагрегат, предъявляется требование по сохранению прямолинейного участка перед входным или выходным отверстием. Участок должен иметь длину не менее 3-х размеров сечений воздуховода. Это необходимо для выравнивания воздушного потока. Не выполнение этого условия приведет к снижению аэродинамических характеристик установки.
Работы по монтажу осевых вентиляторов специального назначения проводятся по требованиям технических нормативов и государственных стандартов.
Приведем основные правила монтажа осевых вентагрегатов для любых способов установки.
устанавливать осевые вентиляторы так, чтобы обеспечивалось безопасное обслуживание, удобный ремонт;
монтаж установки производится только после сборки и полной проверки работоспособности;
при канальном расположении в воздуховоде должен предусматриваться лючок для электрических подключений и наблюдений за работой;
параметры электросети должны соответствовать характеристикам вентилятора;
подключение электропитания должно выполняться согласно схеме, прилагаемой к оборудованию, и проектным решениям;
устройства должны быть заземлены.
Работы с оборудованием выполняются только квалифицированным рабочим персоналом, имеющим все необходимые допуски.
Вытяжное устройство осевого типа предназначается для подачи значительного количества воздуха при небольших аэродинамических сопротивлениях воздушной сети. Состоит осевой вентилятор из колеса и закрепленных на втулке лопастей. Колесо насажено непосредственно на электродвигатель осевого вентилятора. При вращении оно захватывает воздушные потоки, тянет и перемещает его в осевом направлении. Осевые вентиляторы могут работать в реверсивном режиме, т. е. на вытяжку и на приток. По сравнению с радиальными и диаметральными, осевые имеют больший коэффициент полезного действия.
