Wentylatory do systemów wentylacji kanałowej

W tym module omówiono wentylatory odśrodkowe i osiowe stosowane w systemach wentylacji kanałowej, a także wybrane aspekty, w tym ich charakterystyki i atrybuty operacyjne.

Dwa popularne typy wentylatorów stosowane w systemach kanałowych w budynkach to wentylatory promieniowe i osiowe – nazwa ta pochodzi od kierunku przepływu powietrza przez wentylator. Te dwa typy dzielą się na szereg podtypów, które zostały opracowane w celu zapewnienia określonych parametrów przepływu objętościowego/ciśnienia, a także innych parametrów eksploatacyjnych (w tym rozmiaru, hałasu, wibracji, łatwości czyszczenia, konserwacji i wytrzymałości).

Tabela 1: Dane dotyczące szczytowej wydajności wentylatorów opublikowane w USA i Europie dla wentylatorów o średnicy >600 mm

Niektóre z najczęściej spotykanych typów wentylatorów stosowanych w systemach HVAC wymieniono w tabeli 1, wraz z orientacyjnymi wartościami sprawności szczytowej zebranymi1 z danych opublikowanych przez szereg producentów z USA i Europy. Ponadto, w ostatnich latach coraz większą popularnością cieszą się wentylatory typu „plug” (będące w rzeczywistości odmianą wentylatora odśrodkowego).

Rysunek 1: Ogólne krzywe wentylatorów. Rzeczywiste wentylatory mogą znacznie różnić się od tych uproszczonych krzywych.

Charakterystyczne krzywe wentylatora przedstawiono na rysunku 1. Są to przesadzone, wyidealizowane krzywe, a rzeczywiste wentylatory mogą się od nich znacznie różnić; jednak prawdopodobnie wykazują podobne cechy. Dotyczy to również obszarów niestabilności spowodowanych kołysaniem, w których wentylator może przełączać się między dwoma możliwymi przepływami przy tym samym ciśnieniu lub w wyniku zatrzymania wentylatora (patrz Zatrzymanie komory przepływu powietrza). Producenci powinni również określić preferowane „bezpieczne” zakresy robocze w swojej dokumentacji.

Wentylatory odśrodkowe

W wentylatorach odśrodkowych powietrze wpływa do wirnika wzdłuż jego osi, a następnie jest odprowadzane promieniowo z wirnika ruchem odśrodkowym. Wentylatory te mogą generować zarówno wysokie ciśnienia, jak i duże przepływy objętościowe. Większość tradycyjnych wentylatorów odśrodkowych jest zamknięta w obudowie typu spiralnego (jak na rysunku 2), która kieruje przepływające powietrze i efektywnie przekształca energię kinetyczną w ciśnienie statyczne. Aby przepompować więcej powietrza, wentylator może zostać zaprojektowany z wirnikiem o podwójnej szerokości i podwójnym wlocie, umożliwiającym przepływ powietrza z obu stron obudowy.

Rysunek 2: Wentylator odśrodkowy w obudowie spiralnej z wirnikiem pochylonym do tyłu

Istnieje wiele kształtów łopatek, z których może składać się wirnik, z których główne to łopatki wygięte do przodu i do tyłu – kształt łopatki decyduje o jej wydajności, potencjalnej sprawności oraz kształcie charakterystycznej krzywej wentylatora. Inne czynniki wpływające na wydajność wentylatora to szerokość koła wirnika, przestrzeń między stożkiem wlotowym a obracającym się wirnikiem oraz obszar wykorzystywany do odprowadzania powietrza z wentylatora (tzw. „obszar podmuchu”).

Tradycyjnie ten typ wentylatora był napędzany silnikiem z układem pasowo-kołowym. Jednak wraz z udoskonaleniem elektronicznej regulacji prędkości i zwiększoną dostępnością silników komutowanych elektronicznie (EC lub bezszczotkowych), napędy bezpośrednie stają się coraz powszechniejsze. Eliminuje to nie tylko nieefektywność nieodłącznie związaną z napędem pasowym (która może wynosić od 2% do ponad 10%, w zależności od konserwacji2), ale także prawdopodobnie zmniejsza wibracje, ogranicza konserwację (mniej łożysk i konieczności czyszczenia) i sprawia, że zespół jest bardziej kompaktowy.

Wentylatory odśrodkowe z łopatkami wygiętymi do tyłu

Wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu (lub „pochylonymi”) charakteryzują się łopatkami odchylonymi od kierunku obrotów. Mogą one osiągać sprawność sięgającą 90% przy zastosowaniu łopatek o profilu aerodynamicznym, jak pokazano na rysunku 3, lub przy zastosowaniu łopatek prostych o kształcie trójwymiarowym, nieco niższą przy zastosowaniu łopatek prostych o profilu zakrzywionym i jeszcze niższą przy zastosowaniu prostych łopatek płaskich o profilu pochylonym do tyłu. Powietrze opuszcza końcówki wirnika ze stosunkowo niską prędkością, więc straty tarcia wewnątrz obudowy są niskie, a hałas generowany przez powietrze również niski. Mogą one zatrzymywać się w skrajnych punktach krzywej pracy. Relatywnie szersze wirniki zapewnią największą sprawność i z łatwością można zastosować bardziej masywne łopatki o profilu aerodynamicznym. Wąskie wirniki nie odniosą większych korzyści z zastosowania profili aerodynamicznych, dlatego zaleca się stosowanie łopatek płaskich. Wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu charakteryzują się szczególnie wysoką wydajnością w zakresie wytwarzania wysokich ciśnień przy jednoczesnym niskim poziomie hałasu oraz brakiem przeciążeń – oznacza to, że wraz ze spadkiem oporu w systemie i wzrostem natężenia przepływu, moc pobierana przez silnik elektryczny będzie się zmniejszać. Konstrukcja wentylatorów z łopatkami wygiętymi do tyłu jest zazwyczaj bardziej wytrzymała i cięższa niż mniej wydajnych wentylatorów z łopatkami wygiętymi do przodu. Stosunkowo niska prędkość powietrza przepływającego przez łopatki może sprzyjać gromadzeniu się zanieczyszczeń (takich jak kurz i smar).

Rysunek 3: Ilustracja wirników wentylatorów odśrodkowych

Wentylatory odśrodkowe z łopatkami wygiętymi do przodu

Wentylatory z łopatkami wygiętymi do przodu charakteryzują się dużą liczbą łopatek wygiętych do przodu. Ponieważ zazwyczaj wytwarzają niższe ciśnienia, są mniejsze, lżejsze i tańsze niż równoważne wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu. Jak pokazano na rysunkach 3 i 4, ten typ wirnika wentylatora będzie zawierał ponad 20 łopatek, które mogą być tak proste, jak formowanie z pojedynczego arkusza metalu. Większą sprawność uzyskuje się w przypadku większych rozmiarów dzięki indywidualnie formowanym łopatkom. Powietrze opuszcza końcówki łopatek z dużą prędkością styczną, a ta energia kinetyczna musi zostać przekształcona w ciśnienie statyczne w obudowie – co obniża sprawność. Są one zazwyczaj stosowane do małych i średnich objętości powietrza przy niskim ciśnieniu (zwykle <1,5 kPa) i mają stosunkowo niską sprawność poniżej 70%. Obudowa spiralna jest szczególnie ważna dla osiągnięcia najlepszej sprawności, ponieważ powietrze opuszcza końcówki łopatek z dużą prędkością i jest wykorzystywane do efektywnego przekształcania energii kinetycznej w ciśnienie statyczne. Pracują z niską prędkością obrotową, a zatem poziom hałasu generowanego mechanicznie jest zazwyczaj niższy niż w przypadku wentylatorów o wyższej prędkości obrotowej z łopatkami wygiętymi do tyłu. Wentylator charakteryzuje się przeciążeniową charakterystyką mocy przy pracy przy niskich rezystancjach systemu.

Rysunek 4: Wentylator odśrodkowy z łopatkami wygiętymi do przodu i zintegrowanym silnikiem

Tego typu wentylatory nie nadają się do stosowania w miejscach, w których powietrze jest silnie zanieczyszczone pyłem lub zawiera kropelki tłuszczu.

Rysunek 5: Przykład wentylatora typu plug z napędem bezpośrednim i łopatkami wygiętymi do tyłu

Wentylatory promieniowe z łopatkami promieniowymi

Wentylator odśrodkowy z łopatkami promieniowymi ma tę zaletę, że może przemieszczać cząsteczki zanieczyszczonego powietrza przy wysokim ciśnieniu (rzędu 10 kPa), ale pracując z dużą prędkością, jest bardzo głośny i nieefektywny (<60%), dlatego nie powinien być stosowany w systemach HVAC ogólnego przeznaczenia. Charakteryzuje się on również przeciążeniem mocy – wraz ze spadkiem rezystancji układu (np. poprzez otwarcie przepustnic sterujących przepływem), moc silnika wzrasta i, w zależności od jego wielkości, może dojść do jego „przeciążenia”.

Wentylatory wtykowe

Zamiast być montowane w obudowie spiralnej, te specjalnie zaprojektowane wirniki odśrodkowe mogą być stosowane bezpośrednio w obudowie centrali wentylacyjnej (lub w dowolnym kanale lub komorze), a ich początkowy koszt jest prawdopodobnie niższy niż w przypadku wentylatorów odśrodkowych w obudowie. Znane jako wentylatory odśrodkowe „plenum”, „plug” lub po prostu „bez obudowy”, mogą one zapewnić pewne korzyści przestrzenne, ale kosztem utraty sprawności operacyjnej (przy czym najlepsze sprawności są zbliżone do tych dla wentylatorów odśrodkowych z łopatkami wygiętymi do przodu w obudowie). Wentylatory zasysają powietrze przez stożek wlotowy (podobnie jak wentylator w obudowie), ale następnie wyrzucają powietrze promieniowo wokół całego 360° zewnętrznego obwodu wirnika. Mogą zapewnić dużą elastyczność połączeń wylotowych (z komory), co oznacza, że może być mniej potrzeby stosowania sąsiednich zakrętów lub ostrych przejść w kanałach, które same w sobie zwiększyłyby spadek ciśnienia w systemie (a tym samym dodatkową moc wentylatora). Całkowitą wydajność systemu można poprawić, stosując wloty dzwonowe do kanałów wychodzących z komory. Jedną z zalet wentylatora typu plug-in jest jego lepsza wydajność akustyczna, wynikająca głównie z pochłaniania dźwięku w komorze i braku „bezpośrednich ścieżek widzenia” od wirnika do wylotu kanału. Wydajność będzie w dużej mierze zależeć od lokalizacji wentylatora w komorze i relacji wentylatora do jego wylotu – komora służy do przekształcania energii kinetycznej w powietrzu, a tym samym do zwiększenia ciśnienia statycznego. Zasadniczo różne osiągi i różna stabilność pracy będą zależeć od typu wirnika – wirniki o przepływie mieszanym (zapewniające połączenie przepływu promieniowego i osiowego) były stosowane w celu przezwyciężenia problemów z przepływem wynikających z silnego promieniowego wzoru przepływu powietrza utworzonego przez proste wirniki odśrodkowe3.

W przypadku mniejszych jednostek kompaktową konstrukcję często uzupełnia zastosowanie łatwo sterowalnych silników EC.

Wentylatory osiowe

W wentylatorach osiowych powietrze przepływa przez wentylator wzdłuż osi obrotu (jak pokazano w prostym wentylatorze osiowym rurowym na rysunku 6) – sprężanie jest wytwarzane przez siłę nośną aerodynamiczną (podobnie jak w skrzydle samolotu). Mogą być one stosunkowo kompaktowe, tanie i lekkie, szczególnie nadają się do tłoczenia powietrza przy stosunkowo niskim ciśnieniu, dlatego są często stosowane w systemach wyciągowych, gdzie spadki ciśnienia są niższe niż w systemach nawiewnych – nawiew zazwyczaj obejmuje spadek ciśnienia wszystkich podzespołów klimatyzacyjnych w centrali wentylacyjnej. Powietrze opuszczające prosty wentylator osiowy wiruje z powodu rotacji nadawanej mu podczas przepływu przez wirnik – wydajność wentylatora można znacznie poprawić za pomocą łopatek kierowniczych umieszczonych za wentylatorem, które odzyskują zawirowania, jak w łopatkowym wentylatorze osiowym pokazanym na rysunku 7. Sprawność wentylatora osiowego zależy od kształtu łopatki, odległości między końcem łopatki a otaczającą ją obudową oraz odzysku zawirowań. Skok łopatki można zmieniać, aby efektywnie zmieniać wydajność wentylatora. Poprzez odwrócenie kierunku obrotów wentylatorów osiowych można również odwrócić przepływ powietrza – chociaż wentylator będzie zaprojektowany do pracy w głównym kierunku.

Rysunek 6: Wentylator osiowy rurowy

Charakterystyczna krzywa wentylatorów osiowych ma obszar przeciągnięcia, który może powodować, że nie nadają się one do układów o szerokim zakresie warunków pracy, chociaż mają one tę zaletę, że nie powodują przeciążeń.

Rysunek 7: Wentylator osiowy łopatkowy

Wentylatory osiowe łopatkowe mogą być tak samo wydajne jak wentylatory odśrodkowe z łopatkami wygiętymi do tyłu i są w stanie wytwarzać duże przepływy przy rozsądnych ciśnieniach (zwykle około 2 kPa), chociaż prawdopodobnie generują więcej hałasu.

Wentylator o przepływie mieszanym jest rozwinięciem wentylatora osiowego i, jak pokazano na rysunku 8, ma wirnik o stożkowym kształcie, w którym powietrze jest zasysane promieniowo przez rozszerzające się kanały, a następnie przepływa osiowo przez prostujące się łopatki kierownicze. To skojarzone działanie może wytwarzać ciśnienie znacznie wyższe niż w przypadku innych wentylatorów osiowych. Sprawność i poziom hałasu mogą być porównywalne z wentylatorem odśrodkowym z łopatkami wygiętymi do tyłu.

Rysunek 8: Wentylator liniowy o przepływie mieszanym

Montaż wentylatora

Wysiłki mające na celu zapewnienie skutecznego rozwiązania wykorzystującego wentylatory mogą zostać poważnie zniweczone przez związek między wentylatorem a lokalnymi kanałami wentylacyjnymi, służącymi do rozprowadzania powietrza.

Czas publikacji: 07-01-2022