Wentylatory do systemów wentylacji kanałowej
Moduł ten dotyczy wentylatorów odśrodkowych i osiowych stosowanych w kanałowych systemach wentylacyjnych i uwzględnia wybrane aspekty, w tym ich charakterystykę i cechy użytkowe.
Dwa popularne typy wentylatorów stosowane w instalacjach budowlanych w systemach kanałowych są ogólnie nazywane wentylatorami odśrodkowymi i osiowymi – nazwa wywodzi się od definiującego kierunku przepływu powietrza przez wentylator. Te dwa typy są podzielone na szereg podtypów, które zostały opracowane w celu zapewnienia określonych charakterystyk przepływu objętościowego/ciśnienia, a także innych atrybutów operacyjnych (w tym rozmiaru, hałasu, wibracji, możliwości czyszczenia, łatwości konserwacji i wytrzymałości).
Tabela 1: Dane dotyczące szczytowej wydajności wentylatorów opublikowane w USA i Europie dla wentylatorów o średnicy > 600 mm
Niektóre z częściej spotykanych typów wentylatorów stosowanych w HVAC wymieniono w Tabeli 1 wraz z orientacyjnymi szczytowymi wydajnościami zebranymi1 na podstawie danych opublikowanych przez szereg producentów amerykańskich i europejskich. Oprócz tego, w ostatnich latach coraz większą popularność zyskuje wentylator wtykowy (w rzeczywistości będący odmianą wentylatora odśrodkowego).
Rysunek 1: Ogólne krzywe wentylatora. Prawdziwi fani mogą znacznie różnić się od tych uproszczonych krzywych
Charakterystyczne krzywe wentylatora pokazano na rysunku 1. Są to przesadzone, wyidealizowane krzywe i prawdziwi wentylatory mogą się od nich różnić; jednakże prawdopodobnie będą wykazywać podobne cechy. Obejmuje to obszary niestabilności spowodowane przeskokiem, w których wentylator może przełączać się pomiędzy dwoma możliwymi natężeniami przepływu przy tym samym ciśnieniu lub w wyniku zgaśnięcia wentylatora (patrz sekcja Zablokowanie przepływu powietrza). Producenci powinni również określić w swojej literaturze preferowane „bezpieczne” zakresy robocze.
Wentylatory odśrodkowe
W przypadku wentylatorów odśrodkowych powietrze wpływa do wirnika wzdłuż jego osi, a następnie jest odprowadzane promieniowo z wirnika ruchem odśrodkowym. Wentylatory te są w stanie generować zarówno wysokie ciśnienia, jak i duże natężenia przepływu. Większość tradycyjnych wentylatorów odśrodkowych jest zamknięta w obudowie typu scroll (jak na rysunku 2), której zadaniem jest kierowanie poruszającego się powietrza i wydajna konwersja energii kinetycznej na ciśnienie statyczne. Aby zapewnić przepływ większej ilości powietrza, wentylator można zaprojektować z wirnikiem o podwójnej szerokości i podwójnym wlotem, umożliwiającym przedostawanie się powietrza po obu stronach obudowy.
Rysunek 2: Wentylator odśrodkowy w obudowie typu scroll, z wirnikiem nachylonym do tyłu
Istnieje wiele kształtów łopatek, z których może składać się wirnik, przy czym główne typy to łopatki zakrzywione do przodu i zakrzywione do tyłu – kształt łopatki określi jej wydajność, potencjalną wydajność i kształt charakterystycznej krzywej wentylatora. Inne czynniki, które będą miały wpływ na wydajność wentylatora to szerokość koła wirnika, prześwit pomiędzy stożkiem wlotowym a obracającym się wirnikiem oraz powierzchnia wykorzystywana do odprowadzania powietrza z wentylatora (tzw. „obszar nadmuchu”). .
Wentylator tego typu tradycyjnie napędzany jest silnikiem za pomocą paska i koła pasowego. Jednakże wraz z udoskonaleniem elektronicznej kontroli prędkości i zwiększoną dostępnością silników komutowanych elektronicznie („EC” lub bezszczotkowych), coraz częściej stosuje się napędy bezpośrednie. To nie tylko eliminuje nieefektywność charakterystyczną dla napędu pasowego (która może wynosić od 2% do ponad 10%, w zależności od konserwacji2), ale także prawdopodobnie zmniejszy wibracje, ograniczy konserwację (mniej łożysk i wymagań dotyczących czyszczenia) i sprawi, że zespół bardziej kompaktowy.
Wentylatory odśrodkowe wygięte do tyłu
Wentylatory zakrzywione do tyłu (lub „nachylone”) charakteryzują się łopatkami odchylanymi od kierunku obrotu. Mogą osiągać sprawność w okolicach 90% przy zastosowaniu łopatek płatowych, jak pokazano na rysunku 3, lub przy łopatach gładkich ukształtowanych w trzech wymiarach, nieco mniejszą przy zastosowaniu łopatek gładkich zakrzywionych i znowu mniejszą przy zastosowaniu łopatek prostych, płaskich, nachylonych do tyłu. Powietrze opuszcza końcówki wirnika ze stosunkowo małą prędkością, dzięki czemu straty tarcia w obudowie są niskie, a hałas generowany przez powietrze jest również niski. Mogą utknąć na krańcach krzywej działania. Stosunkowo szersze wirniki zapewnią największą wydajność i można z łatwością zastosować bardziej masywne łopatki profilowane w kształcie płata. Wąskie wirniki przyniosą niewielkie korzyści ze stosowania płatów, dlatego zwykle używa się łopatek płaskich. Wentylatory z wygiętymi do tyłu są szczególnie znane ze swojej zdolności do wytwarzania wysokiego ciśnienia w połączeniu z niskim poziomem hałasu i charakteryzują się nieprzeciążającą charakterystyką mocy – oznacza to, że w miarę zmniejszania się oporu w systemie i wzrostu natężenia przepływu, moc pobierana przez silnik elektryczny będzie się zmniejszać . Konstrukcja wentylatorów wygiętych do tyłu będzie prawdopodobnie solidniejsza i raczej cięższa niż mniej wydajny wentylator zakrzywiony do przodu. Stosunkowo mała prędkość powietrza na łopatkach może pozwolić na gromadzenie się zanieczyszczeń (takich jak kurz i tłuszcz).
Rysunek 3: Ilustracja wirników wentylatorów odśrodkowych
Wentylatory odśrodkowe zakrzywione do przodu
Wentylatory wygięte do przodu charakteryzują się dużą liczbą łopatek wygiętych do przodu. Ponieważ zazwyczaj wytwarzają niższe ciśnienie, są mniejsze, lżejsze i tańsze niż równoważne wentylatory z napędem wygiętym do tyłu. Jak pokazano na rysunkach 3 i 4, ten typ wirnika wentylatora będzie zawierał ponad 20 łopatek, które mogą być tak proste, jak uformowanie ich z pojedynczej blachy. Większą wydajność uzyskuje się w przypadku większych rozmiarów dzięki indywidualnie uformowanym ostrzom. Powietrze opuszcza końcówki łopatek z dużą prędkością styczną, a ta energia kinetyczna musi zostać zamieniona na ciśnienie statyczne w obudowie, co zmniejsza wydajność. Są one zwykle stosowane do małych i średnich objętości powietrza pod niskim ciśnieniem (zwykle <1,5 kPa) i mają stosunkowo niską wydajność poniżej 70%. Obudowa spirali jest szczególnie ważna dla osiągnięcia najlepszej wydajności, ponieważ powietrze opuszcza końcówkę łopatek z dużą prędkością i jest wykorzystywane do skutecznego przekształcania energii kinetycznej w ciśnienie statyczne. Pracują z niskimi prędkościami obrotowymi, w związku z czym poziom hałasu generowanego mechanicznie jest zwykle niższy niż w przypadku wentylatorów wygiętych do tyłu o większej prędkości. Wentylator ma charakterystykę mocy przeciążeniowej podczas pracy przy niskich rezystancjach układu.
Rysunek 4: Wentylator odśrodkowy wygięty do przodu z wbudowanym silnikiem
Wentylatory te nie nadają się np. tam, gdzie powietrze jest silnie zanieczyszczone kurzem lub unosi kropelki tłuszczu.
Rysunek 5: Przykład wentylatora wtyczkowego z napędem bezpośrednim i łopatkami wygiętymi do tyłu
Wentylatory promieniowe łopatkowe
Zaletą promieniowego wentylatora odśrodkowego z łopatkami jest możliwość przemieszczania cząstek zanieczyszczonego powietrza pod wysokim ciśnieniem (rzędu 10 kPa), ale przy dużych prędkościach jest on bardzo głośny i nieefektywny (<60%), dlatego nie powinien być stosowany w instalacjach HVAC ogólnego przeznaczenia. Charakteryzuje się również charakterystyką mocy przeciążeniowej – w miarę zmniejszania się rezystancji systemu (być może w wyniku otwarcia przepustnic regulacji głośności) moc silnika wzrasta i, w zależności od wielkości silnika, może potencjalnie „przeciążyć”.
Podłącz wentylatory
Zamiast montować w obudowie spiralnej, te specjalnie zaprojektowane wirniki odśrodkowe można zastosować bezpośrednio w obudowie centrali wentylacyjnej (lub w dowolnym kanale lub komorze), a ich początkowy koszt będzie prawdopodobnie niższy niż w obudowie wentylatorów odśrodkowych. Znane jako wentylatory odśrodkowe typu „plenum”, „wtykowe” lub po prostu „bez obudowy”, mogą one zapewnić pewne korzyści przestrzenne, ale za cenę utraty wydajności operacyjnej (przy czym najlepsza wydajność jest podobna do tej w przypadku wentylatorów odśrodkowych zakrzywionych do przodu w obudowie). Wentylatory zasysają powietrze przez stożek wlotowy (w taki sam sposób, jak wentylator w obudowie), a następnie wypuszczają powietrze promieniowo na całym zewnętrznym obwodzie wirnika wynoszącym 360°. Zapewniają dużą elastyczność połączeń wylotowych (z komory nadsufitowej), co oznacza, że może być mniejsza potrzeba stosowania sąsiednich kolanek lub ostrych przejść w kanałach, które same w sobie powodowałyby spadek ciśnienia w systemie (a tym samym dodatkową moc wentylatora). Ogólną wydajność systemu można poprawić, stosując wejścia kielichowe do kanałów wychodzących z komory nadsufitowej. Jedną z zalet wentylatora plug fan jest jego ulepszona wydajność akustyczna, wynikająca głównie z pochłaniania dźwięku w przestrzeni nadsufitowej i braku „bezpośredniej widoczności” dróg od wirnika do wylotu przewodu. Sprawność będzie w dużym stopniu zależała od umiejscowienia wentylatora w komorze i stosunku wentylatora do jego wylotu – komora jest wykorzystywana do przekształcania energii kinetycznej w powietrzu, a tym samym zwiększania ciśnienia statycznego. Zasadniczo różne osiągi i różna stabilność pracy będą zależeć od typu wirnika – wirniki o przepływie mieszanym (zapewniające kombinację przepływu promieniowego i osiowego) zostały użyte w celu przezwyciężenia problemów z przepływem wynikających z silnego promieniowego wzorca przepływu powietrza utworzonego przy użyciu prostych wirników odśrodkowych3.
W przypadku mniejszych jednostek ich zwartą konstrukcję często uzupełnia się poprzez zastosowanie łatwo sterowalnych silników EC.
Wentylatory osiowe
W wentylatorach osiowych powietrze przepływa przez wentylator zgodnie z osią obrotu (jak pokazano na prostym rurowym wentylatorze osiowym na rysunku 6) – ciśnienie wytwarzane jest przez siłę nośną aerodynamiczną (podobnie jak w skrzydle samolotu). Mogą być one stosunkowo kompaktowe, tanie i lekkie, szczególnie przystosowane do przemieszczania powietrza pod stosunkowo niskim ciśnieniem, dlatego często są stosowane w systemach wyciągowych, w których spadki ciśnienia są mniejsze niż w systemach nawiewnych – nawiew zwykle uwzględnia spadek ciśnienia w całej klimatyzacji elementów centrali wentylacyjnej. Kiedy powietrze opuszcza prosty wentylator osiowy, będzie wirowało w wyniku obrotu nadawanego powietrzu przechodzącemu przez wirnik – wydajność wentylatora można znacznie poprawić, instalując znajdujące się za nim łopatki kierujące, aby odzyskać zawirowanie, tak jak w łopatce wentylator osiowy pokazany na rysunku 7. Na wydajność wentylatora osiowego wpływa kształt łopatki, odległość końcówki łopatki od otaczającej obudowy oraz odzysk wirowy. Można zmieniać nachylenie łopatek, aby skutecznie zmieniać moc wentylatora. Odwracając kierunek obrotu wentylatorów osiowych, można również odwrócić przepływ powietrza – chociaż wentylator będzie zaprojektowany do pracy w głównym kierunku.
Rysunek 6: Rurowy wentylator osiowy
Charakterystyka wentylatorów osiowych charakteryzuje się obszarem przeciągnięcia, co może sprawić, że nie będą one odpowiednie dla systemów o bardzo zróżnicowanym zakresie warunków pracy, chociaż mają tę zaletę, że charakteryzują się mocą bez przeciążeń.
Rysunek 7: Łopatkowy wentylator osiowy
Łopatkowe wentylatory osiowe mogą być równie wydajne jak wentylatory odśrodkowe z wygięciem do tyłu i są w stanie wytwarzać duże przepływy przy rozsądnych ciśnieniach (zwykle około 2 kPa), chociaż prawdopodobnie będą powodować większy hałas.
Wentylator o przepływie mieszanym jest rozwinięciem wentylatora osiowego i, jak pokazano na rysunku 8, ma wirnik w kształcie stożka, w którym powietrze jest zasysane promieniowo przez rozszerzające się kanały, a następnie przepuszczane osiowo przez prostujące łopatki kierujące. Połączone działanie może wytworzyć znacznie wyższe ciśnienie niż jest to możliwe w przypadku innych wentylatorów osiowych. Sprawność i poziom hałasu mogą być podobne do wentylatorów odśrodkowych z krzywą wsteczną.
Rysunek 8: Wentylator liniowy o przepływie mieszanym
Instalacja wentylatora
Wysiłki mające na celu zapewnienie skutecznego rozwiązania w postaci wentylatora mogą zostać poważnie udaremnione przez powiązanie pomiędzy wentylatorem a lokalnymi kanałami doprowadzającymi powietrze.
Czas publikacji: styczeń 07-2022