Напор – это одна из основных характеристик вентилятора, которая показывает, как изменяется давление потока воздуха до и после вентилятора. Именно за счёт этого давления воздух «проталкивается» через сеть воздуховодов, повороты, тройники, решетки и другое вентиляционное оборудование.
Различают статический, динамический и полный напоры вентилятора.
После вентилятора воздух имеет более высокое давление, чем до вентилятора. Разность давлений воздуха – это и есть статический напор вентилятора (статическое давление вентилятора).
Кроме того, после вентилятора воздух приобретает некоторую скорость движения – так называемый скоростной напор. Если на пути воздуха поставить стенку, то, очевидно, достигнув стенки, воздух остановится, при этом слегка сжавшись. Возле стенки кинетическая энергия воздуха (скорость) превратится в потенциальную энергию (давление). Именно этот прирост давления и есть скоростной напор вентилятора. Иными словами, динамическое давление вентилятора – это давление, которое мог бы иметь движущийся поток воздуха, если его внезапно остановить.
Полное давление вентилятора – суть сумма статического и динамического давлений вентилятора.
Давление (напор) вентилятора зависит от его конструктива. Наименее напорными являются осевые вентиляторы. Их напор измеряется единицами и десятками паскалей.
Средненапорные вентиляторы – как правило, вентиляторы радиального и центробежного типов. Такие вентиляторы «выдают» сотни паскалей. Именно такие вентиляторы чаще всего применяются в общеобменных системах вентиляции.
Вентиляторы высокого давления создают напор, измеряемый тысячами паскалей. Такие вентиляторы используются в промышленных системах вентиляции для прокачки воздуха через длинные воздуховоды, применяются в качестве дымососов, а также для надува при сжигании топлива.
Несколько иная классификация вентиляторов принята в канальных кондиционерах. Канальные кондиционеры также бывают низкого, среднего и высокого давления. Чем выше напор кондиционера, тем более разветвленную сеть воздуховодов можно к нему подсоединить.
К низконапорным кондиционерам подсоединять воздуховоды не рекомендуется.
Они комплектуются всасывающими и нагнетательными адаптерами, которые имеют отверстия для всасывания и нагнетания воздуха. Средненапорные канальные кондиционеры предусматривают подключение воздуховодов средней длины. Обычно речь идёт о рукавах длиной по нескольку метров. Наконец, высоконапорные канальные кондиционеры способны прокачивать воздух на 10 и более метров.
Напор – это одна из основных характеристик вентилятора, которая показывает, как изменяется давление потока воздуха до и после вентилятора. Именно за счёт этого давления воздух «проталкивается» через сеть воздуховодов, повороты, тройники, решетки и другое вентиляционное оборудование.
Различают статический, динамический и полный напоры вентилятора.
После вентилятора воздух имеет более высокое давление, чем до вентилятора. Разность давлений воздуха – это и есть статический напор вентилятора (статическое давление вентилятора).
Кроме того, после вентилятора воздух приобретает некоторую скорость движения – так называемый скоростной напор. Если на пути воздуха поставить стенку, то, очевидно, достигнув стенки, воздух остановится, при этом слегка сжавшись. Возле стенки кинетическая энергия воздуха (скорость) превратится в потенциальную энергию (давление). Именно этот прирост давления и есть скоростной напор вентилятора. Иными словами, динамическое давление вентилятора – это давление, которое мог бы иметь движущийся поток воздуха, если его внезапно остановить.
Полное давление вентилятора – суть сумма статического и динамического давлений вентилятора.
Давление (напор) вентилятора зависит от его конструктива. Наименее напорными являются осевые вентиляторы. Их напор измеряется единицами и десятками паскалей.
Средненапорные вентиляторы – как правило, вентиляторы радиального и центробежного типов. Такие вентиляторы «выдают» сотни паскалей. Именно такие вентиляторы чаще всего применяются в общеобменных системах вентиляции.
Вентиляторы высокого давления создают напор, измеряемый тысячами паскалей. Такие вентиляторы используются в промышленных системах вентиляции для прокачки воздуха через длинные воздуховоды, применяются в качестве дымососов, а также для надува при сжигании топлива.
Несколько иная классификация вентиляторов принята в канальных кондиционерах. Канальные кондиционеры также бывают низкого, среднего и высокого давления. Чем выше напор кондиционера, тем более разветвленную сеть воздуховодов можно к нему подсоединить.
К низконапорным кондиционерам подсоединять воздуховоды не рекомендуется.
Они комплектуются всасывающими и нагнетательными адаптерами, которые имеют отверстия для всасывания и нагнетания воздуха. Средненапорные канальные кондиционеры предусматривают подключение воздуховодов средней длины. Обычно речь идёт о рукавах длиной по нескольку метров. Наконец, высоконапорные канальные кондиционеры способны прокачивать воздух на 10 и более метров.
1.4. Сопротивление сети. Подбор вентилятора
Система воздуховодов, включая местные сопротивления, приемные и раздающие решетки, по которым вентилятор перемещает воздух, называется сетью. Сеть может быть расположена только на стороне всасывания (рис. 1.29а), только на стороне нагнетания вентилятора, а может быть и комбинированная (рис.1.29б).
Потери давления, связанные с перемещением воздуха, составляют сопротивление сети. При заданном расходе воздуха Q вентилятор должен развивать полное давление Рv, обеспечивающее преодоление потерь со стороны всасывания Рвс и нагнетания Рнаг. Сумма потерь åDP i вс, наг является расчетной величиной и включает в себя все аэродинамические потери тракта (потери трения, потери при поворотах потока и т. д.), а также потери в элементах, соединяющих вентилятор с сетью. Так как тип вентилятора, его геометрические параметры входа и выхода заранее не известны, то до подбора вентилятора потери в соединительных элементах должны быть оценены в первом приближении.
На рис. 1.30 схематично приведены эпюры давлений в сети и положение рабочих точек на характеристике вентилятора. При работе вентилятора в режиме рециркуляции или же при свободном входе/выходе (рис.1.30а), вентилятор преодолевает потери, связанные с выходом потока в атмосферу со скоростью
Vвых. вент. В этом случае сетью является динамическое давление вентилятора Pdv =rV2 вых. вент/2, то есть точка 1 пересечения кривой динамического давления вентилятора pdv(Q) с его характеристикой (предполагается что потери входа очень малы). На этом режиме вентилятор имеет максимальный расход, при этом статическое давление вентилятора равно нулю. Большая производительность вентилятора (отрицательное статическое давление) может быть получена только
за счет установки диффузора.
При работе вентилятора на всасывание (сеть расположена только со стороны входа вентилятора, рис.1.30б) рабочей точкой является точка 2 пересечения кривой сети с характеристикой вентилятора. Сопротивление сети Pc равно сумме потерь давления всех элементов сети, плюс динамическое давление, определенное по скорости выхода потока из вентилятора: Pc=åDPiвсас +Pdv, где Pdv =rV2вых. вент/2 (на рис.1.30б это Pdv2, или P2-P2’). В этом случае динамическое давление вентилятора является полностью потерянным. Более подробно о потерях с выходной скоростью в радиальных вентиляторах, см. в главе 2. Иногда рекомендуется давать сопротивление сети, расположенной на всасывании, по статическим параметрам, то есть без учета динамического давления вентилятора, и вентилятор подбирать также по статическим параметрам. Однако, как показывает наш опыт, в этом случае возможны ошибки при подборе вентиляторов, которые происходят из-за непонимания разницы между полным и статическим давлением. Это усугубляется тем, что во многих случаях в каталогах приводится полное давление вентиляторов, а статическое дано в виде шкалы или вообще отсутствует (пример ошибки подбора вентилятора приведен в разделе 2.11).
Во всех других случаях, например, сеть только на нагнетании или комбинированная (рис.1.30в) рабочей точкой является точка 3 пересечения кривой сети с характеристикой вентилятора. Сопротивление сети складывается из сопротивления элементов, расположенных на всасывании и нагнетании вентилятора, а также потерь, связанных с выходом потока в атмосферу:
Pc=åDP i всас; нагн+ rVвых2/2. Вентилятор в этом случае имеет динамическое давление Pdv3 или P3-P3’. Кружком d – выделен элемент сопряжения вентилятора с сетью. Необходимо помнить, что чем больше динамическое давление вентилятора, тем больше потери в этом элементе.
При работе вентилятора в составе приточной установки, диапазон значений динамического давления потока rVвых2/2 может быть довольно широким, от 1.. 2Па до 300Па, причем меньшие значения соответствуют истечению из распределительных решеток, а большие – истечению из сопел при струйной системе вентиляции. Следует отметить, что сопротивление собственно выпускных решеток очень мало, но для обеспечения заданного расхода через решетки необходимо вводить дополнительное сопротивление на решетках (дросселировать поток). Эта величина не должна входить в сопротивление åDPi элементов сети (более подробно в разделе 4.2.5.1).
Зная сопротивление сети Pc, рассчитанное в первом приближении, с учетом рекомендаций представленных выше, подбирается соответствующий вентилятор. Далее, сопротивление сети должно быть откорректировано на величину потерь в элементах, соединяющих вентилятор с сетью, либо, если сеть на всасывании, на величину динамического давления на выходе из вентилятора. Реально, режим работы вентилятора характеризуется точкой А пересечения кривых сопротивления сети и характе-ристики выбранного вентилятора (рис.1.31). Характеристикой сети обычно является парабола, проходящая через точку заданного режима: Рс=K·Q2, где
К = Рс. зад / Q2зад. Так как подобрать вентилятор точно не всегда удается, то вентилятор в сети будет иметь производительность Qс, отличную от заданной Q зад (на рис.1.31 — больше заданной). Для получения заданной производительности Qзад необходимо ввести дополнительное сопротивление, например, дросселировать поток в выходных решетках (если расход больше расчетного), либо уменьшать сопротивление сети любыми известными методами (см. раздел.1.4.2).
1.4.1. СОПРЯЖЕНИЕ ВЕНТИЛЯТОРА С СЕТЬЮ
При расчете сопротивления сети предполагается, что работа вентилятора не влияет на величину потерь в сопряженных с вентилятором элементах сети, так же как и сопряженные с вентилятором элементы сети не влияют на его работу.
Будем считать, что сопротивление сети было рассчитано правильно, вентилятор подобран верно. Будет ли иметь вентилятор требуемую производительность в данной сети? Только в том случае, если не будут искажены условия входа потока в вентилятор и выхода из него. В ряде случаев ошибки в компоновке вентилятора в сети могут привести к следующему:
а) к увеличению, действительных потерь давления над расчетными в сопряженных с вентилятором элементах сети;
б) к искажению условий входа потока в колесо, по сравнению с теми, что имели место на стенде при испытаниях вентилятора.
В первом случае эффекты связаны с выходом потока из вентилятора, например, увеличение сопротивлений теплообменника при обтекании закрученным потоком от осевого вентилятора, диффузора при неравномерном профиле скоростей и т. д. Во втором случае искажается сама аэродинамическая характеристика вентилятора, и она уже не соответствует той, которая приведена в каталоге и по которой был подобран вентилятор. Типичные картины неудачной компоновки вентилятора в сети изображены на рис.1.32, здесь же приведены рекомендуемые схемы компоновки.
При компоновке вентилятора в сети необходимо руководствоваться следующими правилами.
1. Не рекомендуется устраивать поворот потока перед вентилятором любого типа (рис.1.32а), необходимо оставлять прямой участок длиной не менее 2…3 диаметров колеса (рис.1.32б), либо (при отсутствии места) использовать входную коробку (рис.1.32в, г).
2. При неосесимметричном входе в вентилятор поток может приобрести закрутку перед входом в вентилятор (рис.1.33). Так, при закрутке потока по вращению колеса, вентилятор теряет давление и производительность (при этом снижается потребляемая мощность). При закрутке потока против вращения колеса, давление и производительность, а также потребляемая мощность, увеличивают-ся (характерно только для осевых вентиляторов без входного направляющего аппарата). Необходи-мо, при возможности, использовать осесимметричный вход потока (рис.1.32в, г), либо устанавливать соответствующие перегородки для устранения нежелательной закрутки.
3. Диаметр воздуховода на входе в вентилятор (осевой, радиальный) должен быть не менее диаметра колеса. Следует всячески избегать установки диффузора перед входом в вентилятор (рис.1.34а). Если этого избежать невозможно, то перед вентилятором должен быть установлен прямой воздуховод длиной 2…3 диаметра колеса (рис.1.34б).
Следует отметить, что из радиальных вентиляторов наиболее чувствительными к искажению условий входа являются вентиляторы с вперед загнутыми лопатками. У вентиляторов с назад загнутыми лопатками в коллекторе обычно имеет место поджатие потока, что приводит к выравниванию потока на входе в колесо.
2.1.Об эффективном использовании радиальных вентиляторов
Рассмотрим теперь некоторые особенности применения указанных двух типов вентиляторов в приточно-вытяжных системах вентиляции.
2.1.1. Сеть на стороне всасывания
В этом случае сопротивление сети равно Pc=åDPiвсас+Pdv, где величина Pdv является динамическим давлением вентилятора и определяется по скорости Vвент выхода потока из вентилятора: Pdv =r·V2вент/2. Если поток выходит из вентилятора непосредственно в атмосферу, то скоростной напор вентилятора полностью теряется. Гидравлическая мощность потока, выходящего из вентилятора равна Q·Pdv, а из электрической сети на его создание затрачена мощность равная Q·Pdv/(hв·hэ), где hв, hэ –КПД вентилятора и электродвигателя, соответственно. Если высокая скорость выхода потока из вентилятора не обусловлена технологической необходимостью, то в ряде случаев потери могут достигать более половины потребляемой вентилятором мощности. Рассмотрим эффективность работы вентиляторов в сети на примере двух близких по аэродинамическим характеристикам вентиляторов: ВР-86-77-5 (колесо N5 с назад загнутыми лопатками) и ВР 300-45-3,15 (колесо N3,15 с вперед загнутыми лопатками). Вентиляторы имеют одни и те же электродвигатели мощ-ностью 2,2кВт (1420об/ мин). Аэродинамические характе-ристики вентиляторов приве-дены на рис. 2.4. Как видно, вентиляторы имеют прибли-зительно равное максимальное полное давление, причем вентилятор меньшего типораз-мера ВР 300-45-3,15 может в некотором диапазоне произво-дительности заменить венти-лятор ВР-86-77-5. Предполо-жим, необходимо подобрать вентилятор с производи-тельностью 5000м3/час и давлением 700….800 Па. Параметры вентиляторов при производительности 5000м3/час сведены в табл. 2.1. Здесь: Pv, Psv, Pdv — полное, статическое и динамическое давление вентилятора; ηv, ηsv – полный и статический КПД вентилятора; Vвент — скорость выхода потока из вентилятора; Nв–мощность, потребляемая вентилятором, Nвент. из сети — мощность потребляемая вентилятором из электрической сети (КПД электродвигателя принят равным hэ= 0,8), Nвых – мощность, потребляемая вентилятором из сети для получения потока со скоростью Vвент (потери с выходной скоростью).
Как видно, доля скоростного напора у вентилятора ВР300-45-3,15 в полном давлении значительно выше, чем у вентилятора типа ВР-86-77-5, из-за чего, несмотря одинаковые полные давления, он имеет в два раза меньше статическое давление. Кроме этого вентилятор ВР300-45-3,15 на заданном режиме имеет на 25% больше потребляемую мощность, причем эта мощность тратится в большей мере, на создание потока с высокой скоростью на выходе из вентилятора, чем на статическое давление. Прямые потери с выходной скоростью (мощность Nвых, потребляемая из электрической сети) у вентилятора ВР-86-77-5 составляет 0,17кВт, а у вентилятора ВР300-45-3,15 -1,34кВт, то есть более половины всей потребляемой из сети мощности! Потери с выходной скоростью характеризует статический КПД вентилятора: у вентилятора ВР 300-45-3,15 он составляет ηsv =0,27, а у вентилятора ВР-86-77 -5 — уже 0,72.
Выше было проведено сравнение эффективности вентиляторов. Кроме разной эффективности работы вентиляторов возникает вопрос, а дадут ли вентиляторы требуемую производительность в сети? Неизвестно. Если при подборе вентилятора не указано, статическое или полное давление, то подбор вентилятора имеет неоднозначное решение. Если расчет сопротивления сети был проведен с учетом рекомендаций приведенных в разделе 1.4, то есть сопротивление сети включает динамическое давление вентилятора, то заданное давление вентилятора является полным. В этом случае все определяется величиной динамического давления, которое было принято при расчете сопротивления сети. Положим, что динамическое давление составляет 100 Па, тогда сопротивление сети по статическим параметрам равно 700 Па. Вентилятор ВР-86-77- 5 в этой сети будет иметь заданную производительность, так как на заданном режиме по производительности его статическое давление 728Па. Аэродинамические характеристики вентилятора ВР 300-45-3,15 приведены на рис. 2.5 сплошными линиями. Как видно, вентилятор ВР 300-45-3,15 в этой сети будет иметь производительность приблизительно 4250м3/час (рабочий режим вентилятора — точка А), вместо ожидаемой 5000м3/час. Как исправить ошибку подбора вентилятора, другими словами, как увеличить производительность вентилятора ВР 300-45-3,15 без заметного увеличения потребляемой мощности? Увеличить производительность вентилятора можно за счет установки диффузора. Результаты испытаний различных диффузоров совместно с вентиляторами (с учетом влияния неравномерности течения на выходе из вентилятора) приведены в справочнике по гидравлическим сопротивлениям [2]. Рассмотрим, как меняются параметры вентиляторов с диффузорами: пирамидальным диффузором длиной 0,5м и ступенчатым диффузором длиной, равной стороне квадрата выходного сечения соответствующего вентилятора. Оба диффузора имеют углы раскрытия 15° и скорость потока на выходе 8м/с. Результаты расчетов приведены в табл. 2.2 (пример определения геометрических параметров диффузоров приведен ниже). Так как динамического давление вентилятора ВР 86-77-5 мало и составляет всего 77 ПА, то статическое давление при установке диффузоров увеличивается всего на 20…30Па, а статический КПД вентилятора увеличился с ηsv=0,72 до η’sv =0,74…0,79. Динамическое давление вентилятора ВР-300-45-3,15 составляет 486 Па. Установка диффузора привела к увеличению статического давления с Psv=374 Па до 635…700 Па, при этом статический КПД увеличился с ηsv=0,27 до η’sv = 0,47…0,51. Потери из сети с выходной скоростью для обоих вентиляторов существенно меньше, чем без диффузоров и составляют примерно 100Вт.