ВОПРОС №1. Общие сведения о вентиляционных установках

ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Литература

1. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1. Общие сведения о вентиляторных установках.

2. Классификация устройства и принципы действия вентиляторов.

3. Характеристика сети. Рабочая точка. Выбор вентиляторов.

4. Изменение режимов работы вентиляторов.

Контрольные вопросы:

1. Что входит в состав вентиляторной установки?

2. Каковы конструкции воздухопроводов и методики их расчета?

3. Каковы классификация, устройство и принцип действия вентиляторов?

4. Каковы аэродинамические параметры работы вентиляторов и их характе­ристики?

5. Каков порядок выбора вентиляторов?

6. Какими способами можно изменять режим работы вентилятора?

7. С какой целью используется параллельная и последовательная работа вен­тиляторов?

Для перемещения потоков воздуха и промышленных газов при небольшой степени сжатия (Р/Р₀ = 1,1) в пищевой промышленности используются вентиляционные установки. Их принимают в системах вентиляции и кондиционирования воздуха производственных помещений, они являются неотъемлемой частью многих технологических процессов (солодоращение, выращивание микроорганизмов, охлаждение готовой продукции, сушка и т.п.) обеспечивают оптимальное протекание процессов горения.

В состав вентиляторной установки входят вентилятор с приводным двигателем и вспомогательным комплектующим оборудованием (шиберами на всасывающем и напорном патрубке, измерительной аппарату рой, пусковыми устройствами двигателя и пр.) и воздухопроводы. В со­став вентиляторной установки иногда могут быть отнесены и аппараты включенные в воздухопроводы (фильтры, калориферы, циклоны, скрубберы и т. п.).

В системах вентиляции и кондиционирования воздуха используется большое количество воздухопроводов и фасонных частей из различных ма­териалов.

В зависимости от материалов, из которых они изготавливаются, возду­хопроводы подразделяются на металлические, металлопластиковые и неме­таллические.

Металлические воздухопроводы изготавливаются из тонколистовых (толщина листа 0,5...3,9 мм) материалов:

♦ кровельная черная, кровельная оцинкованная, декапированная сталь;

♦ листы из алюминия и алюминиевых сплавов;

♦ коррозионностойкая нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т;

♦ титан марки ВТ-00 или ВТ1-0;

♦ металлопласт (низкоуглеродистая сталь с одно или двусторонним пок­рытием из поливинилхлоридной пленки толщиной 0,3 мм).

По виду соединения листового материала, из которого изготовляют ме­таллические воздухопроводы, они делятся на фальцевые и сварные.

Отдельные детали вентиляционных систем (трубы, фасонные части, сете­вое оборудование) должны быть прочно и плотно соединены между собой в определенной последовательности. По способу соединения воздухопроводы делятся на фланцевые, бесфланцевые и раструбные. Фланцы выполняются из полосовой или угловой стали. При соединении металлических фланцев между ними прокладывают уплотнительный материал (листовую пористую резину, различного типа жгуты и т. п.), после чего их стягивают болтами. Широко используются бесфланцевые бандажные соединения. Раструбные (телескопические) соединения применяются на трубопроводах диаметром до 500 мм и требуют на концах труб конусности.

Классификация воздушных коммуникаций осуществляется также по скорости потока воздуха и рабочему давлению.

По скорости воздухопроводы подразделяют на малоскоростные (со скоро­стью воздуха в канале, не превышающей 13 м/с) и высокоскоростные кана­лы (со значениями от 13 до 25 м/с).

Воздухопроводы могут быть низкого давления со значениями до 900 Па; среднего давления со значениями от 900 до 1700 Па и высокого давления со значениями от 1700 до 3000 Па.

Воздухопроводы, так же как и трубопроводы, подразделяются на про­стые и сложные. При расчете сложные воздухопроводы разбивают на участки, расчет ведут поэтапно от участка к участку, считая их простыми. Расчет сети воздухопроводов в общем виде сводится к определению их геометрических размеров (сечений) и потерь давления при данном расходе воздуха.

Аэродинамический расчет воздухопроводов выполняют по методу допустимых скоростей, которые принимают:

а) в общественных и вспомогательных зданиях (из условий допустимого уровня шума в помещениях):

♦ магистральные — до 8 м/с,

♦ ответвления — до 5 м/с;

б) в производственных зданиях (по технико-экономическим соображе­ниям):

♦ магистральные — до 12 м/с,

♦ ответвления — до 6 м/с;

в) в системах аспирации и пневмотранспорта (чтобы не оседали механи­ческие примеси);

♦ на вертикальных участках и на участках с углом наклона к горизонту более 55° — 10...15 м/с;

♦ на горизонтальных участках и на участках с углом наклона к горизон­ту менее 55° — 18...25 м/с.

Задаваясь скоростью, из уравнения расхода определяют необходимую площадь живого сечения воздухопровода

Q

S = ---- (1)

v

где Q — объемный расход газа, протекающего по воздухопроводу, м³/с; v — средняя ско­рость газа, м/с.

Исходя из необходимой площади живого сечения, рассчитывают диаметр или стороны прямоугольника, образующие сечение трубопровода.

Расчет потерь давления (напора) выполняют по методике, изложенной гидравлике. Абсолютную шероховатость стенок металлических воздухопро­водов следует принимать Δ = 0,1 мм.

При проектировании вентиляционных установок и систем кондициони­рования воздуха следует помнить, что схема с большими потерями напора не обязательно самая длинная. Более короткий участок воздухопровода, но с большим количеством поворотов и изменений сечения может иметь сущес­твенно большие потери давления, чем более длинный, но с меньшим коли­чеством поворотов.

Рабочей средой, транспортируемой по воздухопроводам, обычно являет­ся воздух, который характеризуют следующие параметры: плотность ρ, кг/м³; температура t, °С; абсолютное давление р, Па.

Эти параметры связаны уравнением состояния

p = ρgRT (2)

где g — ускорение свободного падения, м/с²; R — газовая постоянная, м/°С; Т — абсолют­ная температура, К.

При перемещении воздуха и газов с механическими примесями их плотность увеличивается в зависимости от массовой концентрации твер­дых частиц в газовом потоке φ = М_т/М_г , где М_т — масса твердых частиц, перемещаемых потоком газа в секунду; М_г — секундная масса чистого газа в смеси.

Плотность пылегазовой смеси рассчитывают по формуле

ρ_см = ρ (1+ φ)(3)

где ρ — плотность чистого газа (воздуха), определяемая из формулы (2).

ВОПРОС №2 Классификация, устройство и принцип действия вентиляторов.

Венти­ляторами называются машины для перемещения воздуха и газов, а также их смесей с мелкими твердыми частицами.

В зависимости от создаваемого давления вентиляторы подразделяют на вентиляторы низкого (до 1 кПа), среднего (от 1 до 3 кПа) и высокого (от 3 до 12 кПа) давления.

Вентиляторы низкого давления имеют рабочие колеса с широкими лис­товыми лопатками, их окружная скорость не превышает 50 м/с. Они широ­ко используются в вентиляционных санитарно-технических схемах.

Вентиляторы среднего давления имеют рабочие колеса с лопатками, за­гнутыми как по направлению вращения колеса, так и против этого направ­ления, максимальная окружная скорость рабочих колес достигает 80 м/с. Они применяются в вентиляционных и технологических установках раз­личного назначения.

Вентиляторы высокого давления имеют рабочие колеса с лопатками, загнутыми назад, их окружная скорость больше 80 м/с. Они применяются в технологических установках, включающих значительное число аппара­тов (фильтры, калориферы, циклоны, топки, сушильные камеры и т. д.), имеющих длинные воздухопроводы со значительным количеством фасон­ных изделий.

Для создания давления до 10 кПа и выше используются вентиляторы с узкими рабочими колесами, окружная скорость вращения которых дости­гает 200 м/с. Такие вентиляторы называют воздуходувками и используют в системах пневмотранспорта, в фильтроочистительных установках и др. К воздуходувкам относят также двухступенчатые вентиляторы или венти­ляторные установки с двумя-тремя последовательно работающими венти­ляторами,

В зависимости от состава перемещаемой среды и условий эксплуатации вентиляторы подразделяются:

♦ на обычные (общего назначения) для воздуха (газов) с температурой

до 80'С;

♦ термостойкие — для воздуха с температурой выше 80 °С;

♦ коррозионностойкие — для коррозионных сред;

♦ взрывобезопасные — для взрывоопасных сред;

♦ пылевые — для запыленного воздуха (твердые примеси в количестве более 100 мг/м³).

Для перемещения воздуха, содержащего пары или частицы различных агрессивных веществ (кислот, щелочей), а также газов, вызывающих быструю коррозию, применяют коррозионностойкие вентиляторы изготовленные из нержавеющих хромированных сталей, сплавов титана' алюминия, винипласта или обычной стали со специальным покрытием внутренних поверхностей либо резиной (гуммирование), либо тонким винипластом.

При перемещении взрывоопасных смесей применяют искрозащищенные вентиляторы, изготовленные из таких материалов, которые не образу ют искры при ударе постороннего предмета о рабочее колесо вентилятора или при случайном соприкосновении вращающегося колеса с кожухом Искрозащищенные вентиляторы комплектуются взрывозащитными элек­тродвигателями.

По месту установки вентиляторы делятся:

♦ на обычные, устанавливаемые на опоре (раме, фундаменте и т. д.);

♦ канальные, устанавливаемые непосредственно в воздухопроводе;

♦ крышные, размещенные на кровле.

По компоновке рабочих колес и по форме корпуса вентиляторы делятся на одноступенчатые, двусторонние и двухступенчатые.

Одноступенчатый вентилятор состоит из одного рабочего колеса и спи­рального корпуса.

Двусторонний вентилятор состоит из двух рабочих колес обычного центробежного вентилятора, являющихся зеркальным отображением одного другим, с общим задним диском, двух входных патрубков и спи­рального корпуса шириной в два раза больше ширины одноступенчатого вентилятора. Такой вентилятор фактически представляет собой два па­раллельно работающих односторонних центробежных вентилятора. Но­минальная производительность такого вентилятора и потребляемая мощность в два раза превышает соответствующие параметры односто­роннего вентилятора при том же диаметре и частоте вращения рабочего колеса.

Двухступенчатый вентилятор представляет собой два последовательно работающих центробежных вентилятора, в которых переход от первой ко второй ступени осуществлен при помощи радиальных лопаточных спрямля­ющих и направляющих аппаратов. При тех же габаритных размерах и час­тоте вращения рабочего колеса в двухступенчатом вентиляторе удается обес­печить давление почти вдвое больше.

В зависимости от направления вращения рабочего колеса вентиляторы делятся на правые и левые. Вентиляторы, в которых колеса вращаются по часовой стрелке, если наблюдать со стороны привода, называются правы­ми, а против часовой стрелки — левыми. Положение кожуха при нормаль­ной работе вентилятора принято обозначать литерами. Если выходное от­верстие направлено вверх, то кожух обозначается литерой В, вниз литерой Н, вправо — П, влево — Л, вниз вправо — НП, вверх влево — ВЛ и т. д. (рис. 1).

Рис. 1. Положение кожухов вентиляторов

По способу присоединения вентилятора 1 к электродвигателю 3 различа­ют посадку колеса вентилятора непосредственно на вал 2 электродвигателя (рис. 2, а), обеспечивающую компактность и надежность, а также бес­шумную и экономичную работу вентилятора; посадку на отдельный кон­сольный вал с вынесенным шкивом 4 или со шкивом между подшипниками (Рис. 2, б, в), закрепленными на станине, или муфтой 5 (рис. 2, г).

Валы вентиляторов чаще всего устанавливаются на шариковых подшип­никах. Колеса на валах насажены на шпонки и крепятся стопорными винтами. При двустороннем всасывании консольно располагать колесо на валу невозможно. В этом случае оно располагается на валу между двумя подшипниками 6 (рис. 2, д, е, ж), что обеспечивает более спокойную работу вентилятора. Подшипники крепятся на кронштейнах.

Кроме указанных способов присоединения вентилятора к двигателю, применяется клиноременная передача.

Рис. 2. Схемы соединения вентиляторов с двигателями

При классификации вентиляторов пользуются формулой коэффициента быстроходности:

(4)

где п — частота вращения рабочего колеса, об/мин; Q — подача, м³/с; р — статическое давление, Па; ρ — плотность воздуха (газа), кг/м³.

В зависимости от коэффициента быстроходности вентиляторы разделя­ются:

♦ на быстроходные (осевые) при n_s > 1500;

♦ средней быстроходности (центробежные) при n_s = 800... 1400;

♦ тихоходные (центробежные) при n_s = 500... 700;

♦ весьма тихоходные (центробежные) при n_s < 500.

По конструкции и принципу действия вентиляторы делятся на ради­альные (центробежные), осевые (аксиальные) и диаметральные (тангенци­альные).

По устройству и принципу действия центробежный вентилятор аналоги­чен центробежному насосу (рис. 5).

Он состоит из рабочего колеса 3, корпуса 1, коллектора 2, электродвига­теля 5, рамы 6, фланца 7 и кольца 4. Рабочее колесо имеет двенадцать плос­ких лопаток, присоединенных к переднему конусному диску тремя, а к зад­нему диску четырьмя заклепками.

К заднему диску прикреплена на заклепках чугунная втулка, размеры которой выбираются в зависимости от размера диаметра вала электродвига­теля. Рабочее колесо вентилятора устанавливается непосредственно на вал электродвигателя. Электродвигатели необходимой мощности подбираются с такой частотой вращения, чтобы окружная скорость рабочего колеса не пре­вышала 45 м/с.

Рис. 5. Вентилятор типа Ц4-70:

1 – корпус, 2 – коллектор, 3 – рабочее колесо, 4 – кольцо, 5 – электродвигатель, 6 – рама, 7 – фланец

Центробежное колесо заключено в спиралеобразный корпус 1, который укреплен на раме 6. Рабочее колесо 1 насажено на вал, приводимый во вра­щение от электродвигателя 5.

Вентиляторы среднего давления типа Ц4-76 отличаются от вентиляторов типа Ц4-70 формой лопаток и величиной зазора между лопатками и вход­ным коллектором. Изменения, внесенные в схему вентилятора типа Ц4-76, позволили повысить КПД и улучшить другие его параметры. Профилиро­ванные лопатки увеличивают жесткость рабочих колес при незначительном изменении их массы.

Вентилятор среднего давления типа Ц4-76 (рис. 6) состоит из спи­рального корпуса 3, входного коллектора 2, рабочего колеса 4 с двенад­цатью лопатками крыловидного профиля, рамы 8 со стойкой 5, ходовой части 6 со шкивом 10, привода с клиноременной передачей 7, огражде­ния 11, регулирующего устройства 1, виброизоляторов пружинного типа 9.

Вентиляторы изготовляются правого и левого вращений. По отноше­нию к спиральному корпусу вентилятора возможно правое или левое рас­положение электродвигателя 13. Регулирование производительности вен­тилятора осуществляется входным коллектором, установленным непосредственно перед входным отверстием. Конструктивной особеннос­тью вентиляторов типа Ц4-76 является то, что установка выходного отвер­стия корпуса в требуемое положение достигается восьмигранником 12 и v клиньями 14. Рабочее колесо 4 состоит из заднего плоского и переднего ко­нического дисков, лопаток, литой ступицы и стрелки, показывающей на­правление его вращения.

Рис. 6. Вентилятор типа Ц4-76:

1 – регулирующее устройство, 2 – входной коллектор, 3 – спиральный корпус, 4 – рабочее колесо, 5 – стойка, 6 – ходовая часть, 7 – клиноременная передача, 8 – рама, 9 – виброизоляторы, 10 – шкив, 11 – ограждения, 12 – восьмигранник, 13 – электродвигатель, 14 – клинья.

Формы конструкций рабочих колёс вентиляторов приведены на рис. 7.

Рис. 7. Схемы конструкций рабочих колес центробежных вентиляторов

Барабанная (рис. 7, а) и кольцевая (рис. 7, б) свойственны вен­тиляторам низкого давления с лопатками, загнутыми вперед; формы (рис. 7, б, в, г) характерны для вентиляторов низкого, среднего и высо­кого давления с лопатками, загнутыми назад.

Применение центробежных вентиляторов с лопатками, загнутыми на­зад, дает экономию электроэнергии примерно на 20 % . Другое весьма важ-гое достоинство этих вентиляторов, заключается в том, что они относительно легко переносят перегрузки по расходу воздуха.

Центробежные вентиляторы с лопатками, загнутыми вперед, обеспечи­вают одни и те же расходные и напорные характеристики, что и вентилято­ры с лопатками, загнутыми назад, при меньшем диаметре насоса и более низкой частоте вращения. Таким образом, они могут достичь требуемого ре­зультата, занимая меньше места и создавая меньший шум.

Наименьшей прочностью и жесткостью обладают колеса барабанной фор­мы (рис. 7, а), допускающие окружную скорость на диаметре D₂ не более 40 м/с. Ширина таких колес постоянна и составляет около 0,5D₂.

Колеса кольцевой формы (рис. 7, б) более прочны и жестки и допуска­ют скорость и₂ до 60 м/с.

Конический покрывающий диск (рис. 7, в, г) обусловливает большую жесткость колеса и допустимость высоких окружных скоростей до 80 м/с.

Форма (рис 7, г) применяется для колес большой подачи и находит, в частности, применение в дутьевых вентиляторах и дымососах.

Открытые однодисковые (рис 7, д) и бездисковые (рис. 7, е) колеса применяются в пылевых вентиляторах, служащих для перемещения смесей газов с твердыми частицами.

Для обеспечения широких пределов производительности вентиляторы проектируют сериями, состоящими из нескольких разных по размерам, но геометрически подобных номеров. Номер вентилятора чаще всего определя­ют наружным диаметром колеса, измеренным в дециметрах. Наружные диаметры лопаточных колес (по внешним кромкам лопаток, D₂, мм) рекомендуются следующие: 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 560, 630, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2500, 2800, 3200,3600, 4000, 4500,5000.

Принципиальное отличие газодувки (рис. 8) от вентилятора заключа­ется в том, что в ней имеется так называемый направляющий аппарат 4, в котором происходит преобразование кинетической энергии газа в потенци­альную энергию давления.

Рис. 8. Схема газодувки:

1 – корпус, 2 – рабочее колесо, 3 – всасывающий патрубок, 4 – направляющий аппарат, 5 – нагнетательный патрубок

Осевой вентилятор (рис. 8) состоит из сварного рабочего колеса 1 и корпуса 2, к которому приварены стойка и рама с установленным на ней электродвигателем 3.

Рис. 9. Осевой вентилятор

1 – рабочее колесо, 2 – корпус, 3 – электродвигатель, 4 – прокладка, 5 - рама

Рабочее колесо насажено на вал электродвигателя и зафиксировано от осевого смещения винтом. Зазор между концами лопаток рабочего колеса и корпусом регулируется прокладкой. Число лопастей осевых колес вы­бирается из следующего ряда: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24, 32. Колесо с лопастями вращается в корпусе 2. Оно насажено на вал электродвигате­ля 3. Поток газа или воздуха движется в осевом направлении под влияни­ем энергии, которая создается в потоке вращающимися лопастями рабо­чего колеса.

Воздухопровод может присоединяться к корпусу вентилятора с обеих сторон. При свободном входе воздуха в вентилятор к корпусу присоединяет­ся гибкий коллектор.

Потолочные вентиляторы являются разновидностью осевых.

Диаметральный вентилятор состоит из рабочего колеса барабанного типа с загнутыми вперед лопатками и корпуса, имеющего патрубок на входе и диффузор на выходе. Действие диаметральных вентиляторов основано на двукратном поперечном прохождении воздуха через рабочее колесо. Диа­метральные вентиляторы создают плоский равномерный поток воздуха большой ширины, их КПД может достигать 0,7.

Аэродинамические параметры работы вентиляторов и их характерис­тики. Работа вентиляторов характеризуется аэродинамическими парамет­рами: напором (давлением), подачей, полезной и потребляемой мощностью, КПД, частотой вращения рабочего колеса, уровнем звукового давления.

Напор вентилятора, как и для насоса, определяется выражением (5), однако для вентиляторов z_н = z_в, а z_в = 0. Так как вентилятор забирает воздух из помещения или атмосферы, где скорость v_B равна нулю, то напор вентилятора

(5)

где р_в, р_м — давления всасывания и нагнетания, Па; v — скорость воздуха в напорном воз духоводе, м/с; ρ — плотность воздуха или газа, кг/м³.

Умножая уравнение (5) на pg, получим (при р_в <р_а)

(6)

где p_cт =р_м+ р_в — статическое давление, р_дин = /2 — динамическое давление вентиля­тора.

Статическое давление соответствует потенциальной энергии перемещае­мого газа, а динамическое — его кинетической энергии.

В зависимости от способа включения вентилятора в воздуховоды возмож­ны три способа использования статического давления вентилятора:

♦ при наличии всасывающего и нагнетательного воздухопроводов (рис. 10, а);

♦ в нагнетательном вентиляторе (рис. 10, б);

♦ во всасывающем вентиляторе (рис. 10, в).

Рис. 10. Способы использования статического давления вентилятора:

а – всасывающий и нагнетательный воздухопровод, б – нагнетательный вентилятор, в – всасывающий вентилятор

Максимальные ординаты р_м и р_в на рис 10, б и рис. 10, в равны суммар­ной ординате р_в + р_м на рис. 10, а.

Динамическое давление может со­ставлять до 50 % от полного давления вентилятора.

На основании (6) вентилято­ры можно классифицировать по ха­рактеру и месту их установки на группы:

♦ нагнетающие (отсутствует всасы­вающая труба, вентилятор засасывает воздух прямо из атмосферы, р_в = 0);

♦ всасывающие или вытяжные (эксгаустеры) (отсутствует нагнета­тельная труба или очень короткая, по сравнению со всасывающей тру­бой, р_н=0);

♦ безнапорные (осевые) (отсутс­твуют всасывающая и напорная тру­ба, р_в = 0, р_м = 0, т.е. статическое давление отсутствует и вентилятор создает динамическое давление, а мощность тратится исключительно на перемещение воздуха).

Теоретический напор центробежного вентилятора определяется по уравне­нию Эйлера. Вводя коэффициент закрутки потока μ₂, по­лучим следующее уравнение для теоретического напора вентилятора:

(7)

где и₂—окружная скорость вращения конца лопастей центробежного колеса, м/с.

Коэффициент закрутки изменяется в пределах μ₂ = 0,5...1,6.

Объемное количество воздуха, всасываемого вентилятором в единицу времени, называется подачей и выражается в м³/с (м³/мин, м³/ч).

Действительно подаваемое вентилятором количество воздуха Q_д меньше всасываемого на величину утечек через зазоры и неплотности.

Отношение η = Q_д/Q называется коэффициентом подачи или объем­ным КПД.

Центробежные вентиляторы имеют подачу до 6000 м³/мин и частоту вра­щения центробежного колеса от 300 до 3000 об/мин. Осевые вентиляторы способны подавать до 10 000м³/мин газа или воздуха и имеют частоту вра­щения колеса от 750 до 10 000 об/мин.

Полезная мощность вентилятора определяется аналогично насосом (см. лекция № 7)

Для центробежных вентиляторов, у которых мощность резко возрастает даже при незначительном увеличении производительности, вводит­ся коэффициент запаса мощности К = 1,10...1,15, для осевых вентиляторов, у которых мощность в меньшей степени зависит от изменения подачи, К = 1,05…1,10.

Тогда

(8)

Полный КПД вентиляторов η = 0,5...0,7.

Более точно полезная мощность N_п отдаваемая вентилятором потоку, в предположении идеального изоэнтропического процесса, определяется по формуле

(9)

где k — показатель адиабаты (для воздуха k = 1,4).

К параметрам работы вентилятора относится и безразмерный коэффици­ент быстроходности n_s, определяемый по формуле (4).

Для сравнения вентиляторов различного типа и выбора типа вентилято­ра, обеспечивающего заданные подачу и давление, наряду с коэффициентом быстроходности n_s, очень удобен параметр габаритности:

(10)

где D —диаметр рабочего колеса вентилятора, м; р— полное давление, создаваемое вен­тилятором, кг/м²; Q — подача, м³/с.

Совокупность зависимостей полного р и статического р_ст давлений, со­здаваемых вентилятором, потребляемой им мощности, полного КПД вен­тилятора от подачи при определенной частоте вращения и постоянной плотности воздуха называют индивидуальной аэродинамической характе­ристикой вентилятора, которая определяется в результате его аэродинами­ческих испытаний.

Режим работы вентилятора, соответствующий максимальному значению полного КПД η_max, называют номинальным. Рабочим участком (зоной) ха­рактеристики вентилятора называют ту ее часть, для которой величина пол­ного КПД η≥ 0,9 η_max.

В каталогах обычно приводят не всю характеристику данного типоразме­ра вентилятора, а лишь ее рабочий участок, соответствующий эффективной работе вентилятора. Каждый типоразмер вентилятора может быть исполь­зован при различной частоте вращения рабочего колеса, что достигается ус­тановкой различных двигателей при непосредственном их соединении с ра­бочим колесом или при использовании шкивов и редукторов. При этом в каталогах дают серию характеристик вентиляторов при их различной часто­те вращения, а на осях координат используют логарифмический масштаб.

Такие сводные диаграммы очень удобны для выбора размера и частоты вращения вентилятора, обеспечивающего заданные значения производи­тельности и полного давления.

Работа вентиляторов всегда сопровождается шумом. Различают шум двух категорий: аэродинамический, возникающий вследствие воздействия отде­льных элементов вентилятора на соприкасающийся с ним воздух, и механи­ческий, возникающий вследствие вибрации двигателя и вентилятора.

Характеристика сети. Рабочая точка. Выбор вентиляторов. Вентилято­ры работают обычно в системе воздухопроводов различной протяженности, называемой сетью. Уравнение характеристики сети, по которой транспорти­руется газ с помощью вентилятора, аналогично такому же уравнению для центробежного насоса и выражает зависимость между расхо­дом проходящего по воздухопроводу газа Q и потерей давления в сети

(11)

(12)

и называется параболической.

Давление, развиваемое вентилятором, расходуется исключительно на преодоление сопротивлений сети, кривая характеристики сети (12) будет проходить через начало координат (рис. 11, а)

Рис. 11. Характеристика воздухопровода (а) и рабочая точка вентилятора (б)

При наложении характеристики сети 1на построенную в том же масшта­бе характеристику вентилятора 2в пересечении этих кривых (рис. 11, б)получается рабочая точка А.Она определяет подачу воздуха Q_Aв воздухо­провод и развиваемое при этом давление р_А ,т. е. определяет режим работы вентилятора.

Параметры сети — расход Q_A,соответствующее ему давление р_Аи плот­ность ρ перемещаемого газа — являются исходными данными для выбора вентилятора, который должен работать в этой сети. Поскольку давление р_А определяется гидравлическим расчетом сети, то необходимо учитывать, что если величина потерь полного давления в сети не превышает 2 % абсо­лютного полного давления перед вентилятором, то при выборе вентилято­ра нет необходимости рассматривать всасывающий и нагнетательный участки сети отдельно. Достаточно знать суммарные потери давления во всей системе. Если потери давления в сети превышают указанную выше ве­личину, то необходимо задавать потери во всасывающем и нагнетательном участках сети отдельно.

Необходимо также учитывать, что вблизи входного и выходного сечений вентилятора на расстоянии примерно в два калибра и меньше не должно быть каких-либо элементов, нарушающих равномерность заполнения вход­ного и выходного сечений вентилятора (диффузоры с большим углом рас­крытия, поворотные участки в виде колен).

Если их установка необходима, то при выборе вентилятора целесообраз­но пользоваться аэродинамической характеристикой вентилятора с соеди­ненными элементами. Если таких характеристик нет, то присоединенные элементы следует относить к элементам сети, и при расчете суммарного со­противления сети учитывать потери давления в них.

Кроме параметров Q_A и р_А,при выборе вентилятора должны быть зада­ны компоновка вентилятора и тип привода. В некоторых случаях дают жесткие ограничения габаритных размеров, частоты вращения вентилято­ра и его КПД.

Выбрать оптимальный вентилятор — значит определить его тип (схему), размер и частоту вращения, при которых выполнялись бы все требования технического задания. Как правило, вентилятор должен иметь наибольший возможный КПД, минимально возможные габаритные размеры и массу. Для обеспечения области параметров Q и рвентилятор должен иметь требуе­мые регулировочные характеристики.

Наиболее просто выбрать вентилятор по параметрам Q ирпо каталогам, в которых приведены характеристики и области работы серийных вентилято­ров различных типоразмеров. Откладывая на координатных осях сводного графика значения Q и р(приведенные к нормальным условиям) и проводя нормали к осям, получаем точку пересечения, попадающую в поле рабочих параметров, определяющую необходимый типоразмер и частоту вращения вентилятора. Если вентилятор имеет непосредственный привод с электро­двигателем, то он обеспечивает режимы, соответствующие его характерис­тике при частоте вращения электродвигателя. Для расширения диапазона рабочих режимов вентилятора данного типоразмера используют его моди­фикации с различными рабочими колесами, диаметры которых больше или меньше номинального на 5... 10 %.

При определении размера (номера) вентилятора следует стремиться к то­му, чтобы заданным значениям давления и производительности соответс­твовало наибольшее значение КПД (не ниже 0,9 от максимального).

Индивидуальные характеристики в каталогах фирм-изготовителей при­водятся для нормальных условий чистого воздуха, поэтому при подборе вен­тилятора и электродвигателя необходимо:

1) производительность вентилятора Q (с учетом утечек или подсосов воз­духа) принимать с поправочным коэффициентом на заданное или расчетное количество воздуха;

♦ для стальных и пластмассовых воздухопроводов длиной до 50 м — 1,10;

♦ в остальных случаях — 1,15;

2) полное давление р принимать:

♦ для нормальных условий р = р_р;

♦ для условий, отличающихся от нормальных условий чистого воздуха,

(13)

где р_р — расчетное давление в сети, Па; ρ_г — плотность газа (при t = 20°С, В = 1,013 • 10⁵ Па), кг/м³ ; ρ_в — плотность воздуха при тех же условиях, кг/м³;

Для сетей пневмотранспорта

(14)

где К — опытный коэффициент, зависящий от вида транспортируемого материала, разме­ра и формы частиц, скорости и характера движения, диаметра воздухопровода и других факторов; φ — массовая концентрация перемещаемой смеси, равная отношению массы пыли к массе чистого воздуха;

3) потребляемую мощность на валу электродвигателя определять по сле­дующим формулам:

При перемещении чистого воздуха при нормальных условиях

(15)

где η_в — КПД вентилятора, выбирается по характеристике; η_п — КПД передачи,

при перемещении воздуха с высокой температурой

(16)

при перемещении воздуха с механическими примесями

(17)

4) установочную мощность электродвигателя определять по формуле

(18)

где К₃ — коэффициент запаса мощности (К₃ = 1,05...1,20 — для осевых вентиляторов, К₃ = 1,10...1,50 — для центробежных вентиляторов).

ВОПРОС №3 Изменение режимов работы вентиляторов.

Изменять режим работы вентилятора можно различными способами:

♦изменением частоты вращения вала вентилятора;

♦дросселированием на входе и выходе вентилятора;

♦направляющими аппаратами различной конструкции;

♦параллельной и последовательной работой вентиляторов.

Первый способ требует применения электродвигателей с регулируемой частотой вращения. Законы подобия колес вентиляторов описываются уравнениями, умноженными на отношение плотнос­тей ρ/ρ₁ перекачиваемого газа при первоначальных и измененных услови­ях а для расчета потребной частоты вращения колес вентилятора приме­нимы законы пропорциональности. Так как характеристика сети! выходит из начала координат, то она является геометрическим местом то­чек, подчиняющихся, т. е. параболой подобных режимов работы вентиляторов.

Изменение подачи вентилятора дросселированием осуществляется с помощью шибера на всасывающей или напорной линии, устанавливае­мого не ближе двух калибров диаметра воздухопровода к вентилятору. Этот способ применяется очень широко ввиду его конструктивной про­стоты.

Направляющие аппараты различных конструкций используются для изменения режимов работы вентиляторов с большой подачей (дутьевые вен­тиляторы, дымососы).

Известны различные типы направляющих аппаратов: осевой (рис. 12), упрощенный, радиальный, цилиндрический, встроенный и др.

Рис. 12. Осевой направляющий аппарат:

1 – поворотные лопатки, 2 – цилиндрический патрубок, 3 – оси поворота лопаток, 4 – механизм поворота

Направляющий аппарат устанавливается на входе в вентилятор. Воздух проходя через направляющий аппарат, закручивается лопатками тем сильнее, чем больше угол их установки. При этом меняются регулировочные характеристики.

На рис. 13 приведены регулировочные характеристики Q—P центробежного вентилятора, полученные при различных углах установки лопаток направляющего аппарата (НА) (α_на = - 20...60°). Увеличение углов α_на приводит к уменьшению производительности, давления, мощности и КПД вентилятора.

Рис. 13. регулированные характеристики центробежного вентилятора

Закручивание потока против направления вращения колеса (α_на < 0) не­рационально, т. к. при этом происходит увеличение мощности без сущест­венного повышения давления, создаваемого вентилятором. На регулировоч­ных характеристиках обычно приводят линии равных значений КПД для оценки области экономичного регулирования.

Рис. 14. Изменение потребляемой мощности при различных способах регулирования:

1 – дроссельное, 2 – направляющим аппаратом, 3 – изменением частоты вращения

На рис. 14 показано сопоставление эффективности рассмотренных спо­собов регулирования работы вентиляторы.

Вышерассмотренные способы регулирования работы вентиляторов связаны, как правило, с из­менением их расхода. В диапазоне отношений ми­нимального расхода вентилятора к расчетному (глубине регулирования) от 1,0 до 0,95 допускает­ся регулировать расход вентилятора дросселем. При более низких значениях глубины регулиро­вания пользоваться дросселем неэкономично.

Применение осевого направляющего аппара­та целесообразно при глубине регулирования от 1,0 до 0,5.

Лучшие результаты дает изменение частоты вращения вала рабочего колеса вентилятора, все чаще применяемое на практике и энергоэконо­мичное при любой глубине регулирования. Кро­ме того, этот вид регулирования может быть пол­ностью автоматизирован.

Наиболее эффективно изменение частоты вра­щения вала рабочего колеса вентилятора с помо­щью частотного преобразователя за счет измене­ния частоты электрического тока.

На практике, благодаря простоте технической реализации, применяется также параметрическое регулирование частоты вращения вала рабочего ко­леса вентилятора изменением подводимого к электродвигателю напряже­ния при неизменной частоте (50 Гц). Однако этот метод применим лишь на электродвигателях с высоким сопротивлением ротора, т. к. обычные асинх­ронные электродвигатели не могут регулироваться таким способом. Если вентилятор по производительности и напору не удовлетворяет заданным ус­ловиям, то вместо одного можно установить два или несколько вентилято­ров, соединенных либо параллельно, либо последовательно.

Параллельное соединение вентиляторов (рис. 15, а) применяется в том случае, когда один из них не в состоянии обеспечить требуемую производи­тельность.

Для параллельной работы обычно применяются машины одинаковых размеров или геометрически подобные. Воздух из обоих вентиляторов /, II подается в один воздухопровод, или же оба вентилятора параллельно отса­сывают воздух из одной и той же емкости (среды). Так, например, парал­лельная работа вентиляторов осуществляется в котельных установках боль­шой мощности. Вентилятор с двусторонним всасыванием представляет, по существу, параллельное соединение двух вентиляторов, у которых колеса помещены в общий кожух.

Каждый из параллельно работающих вентиляторов (рис. 15, б) подает в сеть одинаковое количество газа. Исходя из этого и построена суммарная ха­рактеристика МС совместно работающих вентиляторов. На диаграмме отре­зок ОЕ характеризует производительность, a ED — КПД каждого из параллельно работающих вентиляторов.

Рис. 15. Параллельная работа вентиляторов:

1 – параллельное соединение вентиляторов, 2 – характеристика параллельно работающих вентиляторов и сети

Если работает только один вентилятор (другой отключен шибером 2, рис. 15, а), то его производительность OG несколько больше, чем ОЕ при параллельном соединении, но работа его бу­дет менее экономичной, т. к. КПД будет теперь соответствовать ординате FG. Давление IG в этом случае также будет меньше, чем BE — при парал­лельной работе вентиляторов.

Как видно из рис. 15, б, параллельная работа вентиляторов эффективна при пологой характеристике сети: производительность OL при совместной работе вентиляторов значительно больше производительности одного венти­лятора OG. При крутой характеристике сети, что бывает при значительных сопротивлениях, подключение второго вентилятора неэффективно: произ­водительность Q_б совместно работающих вентиляторов мало отличается от производительности Q_a при работе одного вентилятора.

Рис. 16. Последовательная работа вентиляторов:

1 – последовательное соединение вентиляторов, 2 – характеристика последовательно работающих вентиляторов

Последовательное соединение вентиляторов (рис. 16, а) применя­ют в тех случаях, когда каждый из них не в состоянии преодолеть проти­водавление сети. Для последователь­ной работы двух вентиляторов следу­ет нагнетательный патрубок одного из них соединить с всасывающим патрубком другого, который подает газ в сеть. При последовательной ра­боте вентиляторов с характеристика­ми 1, 2 (рис. 16, б) получается сум­марная характеристика 3. Расход воздуха через один вентилятор при изолированной работе в сети характе­ризуется отрезком ОС₁.

Общая же производительность вентиляторов при совместной работе харак­теризуется отрезком ОС₂. При этом производительность каждого из них равна ОС₂, поскольку весь воздух, подаваемый первым вентилятором, проходит через второй вентилятор. На рис. 16, б видно, что производительность ОС₂ двух последовательно работающих вентиляторов несколько больше производитель­ности ОС₁ одного при его изолированной работе. Общее давление, хотя и боль­ше давления, создаваемого только одним вентилятором, но меньше суммарного давления при изолированной работе вентиляторов: А₂С₂ < 2А₁С₁.

Оба вентилятора могут соединяться непосредственно с одним электро­двигателем, который в этом случае должен иметь два свободных конца вала. Возможна также последовательная работа вентиляторов, приводимых от разных двигателей.