Wentylator promieniowy - Centrifugal fan
Wentylator odśrodkowy jest mechaniczne urządzenie do przemieszczania powietrza lub innych gazów w kierunku pod kątem do płynu wchodzącego. Wentylatory promieniowe często zawierają obudowę kanałową, która kieruje powietrze wychodzące w określonym kierunku lub w poprzek radiatora ; taki wentylator nazywany jest też dmuchawą , dmuchawą lub wentylatorem klatkowym (bo wygląda jak koło chomika ). Małe urządzenia używane w komputerach są czasami nazywane dmuchawami do ciastek . Wentylatory te przenoszą powietrze z obracającego się wlotu wentylatora do wylotu. Są one zwykle używane w zastosowaniach kanałowych do wciągania powietrza przez kanał / wymiennik ciepła lub przepychania powietrza przez podobne. wirniki . W porównaniu ze standardowymi wentylatorami osiowymi mogą zapewnić podobny ruch powietrza z mniejszego pakietu wentylatorów i pokonywać większe opory w strumieniach powietrza.
Wentylatory promieniowe wykorzystują energię kinetyczną wirników do poruszania strumienia powietrza, który z kolei porusza się pokonując opór powodowany przez kanały, przepustnice i inne elementy. Wentylatory promieniowe wypierają powietrze promieniowo, zmieniając kierunek (zwykle o 90°) przepływu powietrza. Są wytrzymałe, ciche, niezawodne i zdolne do pracy w szerokim zakresie warunków.
Wentylatory promieniowe są, podobnie jak wentylatory osiowe, urządzeniami o stałej objętości, co oznacza, że przy stałej prędkości wentylator promieniowy przemieszcza stosunkowo stałą objętość powietrza, a nie stałą masę. Oznacza to, że prędkość powietrza w systemie jest stała, ale rzeczywista masa przepływającego powietrza będzie się różnić w zależności od gęstości powietrza. Wahania gęstości mogą być spowodowane zmianami temperatury powietrza wlotowego i wysokości nad poziomem morza, co sprawia, że wentylatory te nie nadają się do zastosowań, w których wymagana jest stała masa powietrza.
Wentylatory promieniowe nie są urządzeniami wyporowymi, a wentylatory promieniowe mają pewne zalety i wady w porównaniu z dmuchawami wyporowymi: wentylatory promieniowe są bardziej wydajne, podczas gdy dmuchawy wyporowe mogą mieć niższy koszt inwestycyjny i są w stanie osiągnąć znacznie wyższy stopień sprężania stosunki. Wentylatory promieniowe są zwykle porównywane do wentylatorów osiowych do zastosowań mieszkaniowych, przemysłowych i komercyjnych. Wentylatory osiowe zwykle pracują przy większych objętościach, pracują przy niższych ciśnieniach statycznych i mają wyższą wydajność. Dlatego wentylatory osiowe są zwykle używane do ruchu powietrza o dużym natężeniu, takiego jak wyciąg z magazynu lub cyrkulacja w pomieszczeniu, podczas gdy wentylatory promieniowe są używane do przenoszenia powietrza w zastosowaniach kanałowych, takich jak dom lub typowe środowisko biurowe.
Wentylator promieniowy ma kształt bębna składającego się z kilku łopatek wentylatora zamontowanych wokół piasty. Jak pokazano na animowanym rysunku, piasta obraca się na wale napędowym osadzonym w łożyskach w obudowie wentylatora. Gaz wchodzi z boku koła wentylatora , obraca się o 90 stopni i przyspiesza dzięki sile odśrodkowej , przepływając przez łopatki wentylatora i wychodząc z obudowy wentylatora.
Historia
Najwcześniejsza wzmianka o wentylatorach odśrodkowych pochodzi z 1556 r. przez Georga Pawera (łac. Georgius Agricola ) w swojej książce De Re Metallica , gdzie pokazuje, w jaki sposób wentylatory te były wykorzystywane do przewietrzania kopalń. Następnie wentylatory promieniowe stopniowo wyszły z użycia. Dopiero w pierwszych dziesięcioleciach XIX wieku odrodziło się zainteresowanie wentylatorami odśrodkowymi. W 1815 roku markiz de Chabannes opowiedział się za zastosowaniem wentylatora odśrodkowego i w tym samym roku wykupił brytyjski patent. W 1827 r. Edwin A. Stevens z Bordentown w stanie New Jersey zainstalował wentylator do wdmuchiwania powietrza do kotłów parowca North America . Podobnie w 1832 roku szwedzko-amerykański inżynier John Ericsson użył wentylatora odśrodkowego jako dmuchawy na parowcu Corsair . Wentylator promieniowy został wynaleziony przez rosyjskiego inżyniera wojskowego Aleksandra Sablukowa w 1832 roku i był używany zarówno w rosyjskim przemyśle lekkim (m.in. w cukrownictwie), jak i za granicą.
Jednym z najważniejszych osiągnięć przemysłu wydobywczego był wentylator Guibal , który został opatentowany w Belgii w 1862 roku przez francuskiego inżyniera Théophile'a Guibala . Wentylator Guibal miał spiralną obudowę otaczającą łopatki wentylatora, a także elastyczną przesłonę do kontrolowania prędkości ucieczki, co czyniło go znacznie lepszym od poprzednich konstrukcji z otwartym wentylatorem i umożliwiał wydobycie na dużych głębokościach. Takie wentylatory były szeroko stosowane do wentylacji kopalni w całej Wielkiej Brytanii.
Budowa
Główne części wentylatora promieniowego to:
- Obudowa wentylatora
- Wirniki
- Kanały wlotowe i wylotowe
- Wał napędowy
- Mechanizm napędowy
- Tłumiki i łopatki wentylatora
- Kanały wlotowe i wylotowe
- Łopatki wentylatora
- Obudowa wylotu wentylatora
Inne używane elementy mogą obejmować łożyska , sprzęgła , urządzenie blokujące wirnik, obudowę wylotową wentylatora, płyty uszczelniające wał itp.
Mechanizmy napędowe
Napęd wentylatora określa prędkość wirnika wentylatora (wirnika) i zakres, w jakim ta prędkość może być zmieniana. Istnieją dwa podstawowe typy napędów wentylatorów.
Bezpośredni
Koło wentylatora można połączyć bezpośrednio z wałem silnika elektrycznego . Oznacza to, że prędkość wirnika wentylatora jest identyczna z prędkością obrotową silnika . Napęd bezpośredni jest najbardziej wydajną formą napędu wentylatorów, ponieważ nie występują straty przechodzenia z prędkości obrotowej silników na obroty wentylatora.
Niektórzy producenci elektroniki wykonali wentylatory promieniowe z silnikami o zewnętrznym wirniku (stojan znajduje się wewnątrz wirnika), a wirnik jest montowany bezpośrednio na kole wentylatora (wirnik).
Pasek
Na wale silnika i wale wirnika wentylatora zamontowany jest zestaw kół pasowych, a pas przenosi energię mechaniczną z silnika do wentylatora.
Prędkość koła wentylatora zależy od stosunku średnicy koła pasowego silnika do średnicy koła koła wentylatora. Prędkości kół wentylatora w wentylatorach z napędem pasowym są stałe, chyba że pas(y) się ślizgają. Poślizg paska może zmniejszyć prędkość wirnika wentylatora o kilkaset obrotów na minutę (RPM). Pasy wprowadzają również dodatkowy element konserwacji
Namiar
Łożyska są ważną częścią wentylatora. Łożyska z pierścieniem tulejowym są używane do mniejszych wentylatorów, takich jak wentylatory komputerowe, podczas gdy większe zastosowania mieszkalne i komercyjne wykorzystują łożyska kulkowe . Zastosowania przemysłowe mogą wykorzystywać specjalistyczne łożyska, takie jak łożyska ślizgowe chłodzone wodą, do odprowadzania gorących gazów.
Wiele dmuchaw turbo wykorzystuje łożysko powietrzne lub łożysko magnetyczne .
Kontrola prędkości
Prędkość wentylatora dla nowoczesnych wentylatorów odbywa się za pomocą napędów o zmiennej częstotliwości, które bezpośrednio kontrolują prędkość silników, zwiększając i zmniejszając prędkość silnika w zależności od różnych przepływów powietrza. Ilość przenoszonego powietrza jest nieliniowa z prędkością silnika i musi być indywidualnie zbilansowana dla każdej instalacji wentylatora. Zwykle odbywa się to w czasie instalacji przez testowanie i wyważanie wykonawców, chociaż niektóre nowoczesne systemy bezpośrednio monitorują przepływ powietrza za pomocą przyrządów w pobliżu wylotu i mogą wykorzystywać sprzężenie zwrotne do zmiany prędkości silnika.
Starsze instalacje wentylatorowe wykorzystywałyby łopatki wlotowe lub wylotowe - metalowe klapy, które można było otwierać i zamykać na wylocie wentylatora. Gdy łopatki się zamkną, podniosą ciśnienie i zmniejszą przepływ powietrza z wentylatora. Jest to mniej wydajne niż VFD, ponieważ VFD bezpośrednio zmniejsza zużycie energii elektrycznej przez silnik wentylatora, podczas gdy łopatki pracują ze stałą prędkością silnika.
Łopatki wentylatora
Koło wentylatora składa się z piasty z przymocowanymi łopatkami wentylatora. Łopatki wentylatora na piaście mogą być rozmieszczone na trzy różne sposoby: wygięte do przodu, wygięte do tyłu lub promieniowo.
Zakrzywiony do przodu
Łopatki zakrzywione do przodu, jak na rysunku 3(a), zakrzywiają się zgodnie z kierunkiem obrotu wirnika wentylatora. Są one szczególnie wrażliwe na cząstki i często są zalecane tylko do zastosowań związanych z czystym powietrzem, takich jak klimatyzacja. Wentylatory zakrzywione do przodu są zwykle używane w zastosowaniach, w których ciśnienie statyczne jest zbyt wysokie dla wentylatora osiowego łopatkowego lub wymagany jest mniejszy rozmiar wentylatora odśrodkowego, ale charakterystyka hałasu wentylatora zakrzywionego do tyłu jest uciążliwa dla przestrzeni. Są w stanie zapewnić mniejszy przepływ powietrza przy wyższym wzroście ciśnienia statycznego w porównaniu z wentylatorem osiowym łopatkowym. Są one zwykle używane w klimakonwektorach . Są mniej wydajne niż wentylatory zakrzywione do tyłu.
Zakrzywiony do tyłu
Łopatki zakrzywione do tyłu, jak na rysunku 3(b), zakrzywiają się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów wirnika wentylatora. Mniejsze dmuchawy mogą mieć łopatki nachylone do tyłu , które są proste, a nie zakrzywione. Większe dmuchawy nachylone/zakrzywione do tyłu mają łopatki, których krzywizny do tyłu naśladują przekrój poprzeczny płata, ale obie konstrukcje zapewniają dobrą wydajność operacyjną przy stosunkowo ekonomicznych technikach konstrukcyjnych. Dmuchawy tego typu są przeznaczone do obsługi strumieni gazu o niskim lub umiarkowanym obciążeniu cząstkami. Można je łatwo wyposażyć w ochronę przed zużyciem, ale niektóre krzywizny ostrzy mogą być podatne na gromadzenie się ciał stałych. Koła zakrzywione do tyłu są często cięższe niż odpowiadające im odpowiedniki zakrzywione do przodu, ponieważ pracują z większymi prędkościami i wymagają mocniejszej konstrukcji.
Wentylatory wygięte do tyłu mogą mieć szeroki zakres określonych prędkości, ale są najczęściej używane w zastosowaniach o średniej określonej prędkości — zastosowaniach wysokiego ciśnienia i średniego przepływu, takich jak centrale wentylacyjne .
Wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu są bardziej energooszczędne niż wentylatory z łopatkami promieniowymi i wentylatorami z łopatkami wygiętymi do przodu, dlatego w zastosowaniach o dużej mocy mogą być odpowiednią alternatywą dla tańszego wentylatora z łopatkami promieniowymi.
Prosty promieniowy
Dmuchawy promieniowe, jak na rysunku 3(c), mają koła, których łopatki wystają prosto ze środka piasty. Koła z łopatkami promieniowymi są często stosowane w strumieniach gazów zawierających cząstki stałe, ponieważ są najmniej wrażliwe na osadzanie się ciał stałych na łopatkach, ale często charakteryzują się większym poziomem hałasu. Wysokie prędkości, małe objętości i wysokie ciśnienia są powszechne w dmuchawach promieniowych i są często stosowane w odkurzaczach , pneumatycznych systemach przenoszenia materiałów i podobnych procesach.
Zasady działania
Wentylator promieniowy wykorzystuje moc odśrodkową dostarczaną z obrotów wirników do zwiększenia energii kinetycznej powietrza/gazów. Gdy wirniki się obracają, cząsteczki gazu w pobliżu wirników są wyrzucane z wirników, a następnie przenoszą się do obudowy wentylatora. W rezultacie energia kinetyczna gazu jest mierzona jako ciśnienie ze względu na opór systemu, jaki zapewnia obudowa i kanał. Gaz jest następnie kierowany do wyjścia przez kanały wylotowe. Po wyrzuceniu gazu ciśnienie gazu w środkowym obszarze wirników spada. Gaz z oka wirnika wpada, aby to znormalizować. Ten cykl się powtarza i dlatego gaz może być stale przenoszony.
| Ekwipunek | Stosunek ciśnień | Wzrost ciśnienia (mm H 2O ) |
|---|---|---|
| Fani | Do 1,1 | 1136 |
| Dmuchawy | 1,1 do 1,2 | 1136-2066 |
Trójkąt prędkości
Diagram zwany trójkątem prędkości pomaga nam określić geometrię przepływu na wejściu i wyjściu łopaty. Wymagana jest minimalna liczba danych, aby narysować trójkąt prędkości w punkcie ostrza. Niektóre składowe prędkości zmieniają się w różnych punktach łopatki ze względu na zmiany kierunku przepływu. Stąd dla danej łopaty możliwa jest nieskończona liczba trójkątów prędkości. Aby opisać przepływ za pomocą tylko dwóch trójkątów prędkości, definiujemy średnie wartości prędkości i ich kierunek. Trójkąt prędkości dowolnej maszyny turbo składa się z trzech elementów, jak pokazano:
- U Prędkość ostrza
- V r Prędkość względna
- V Prędkość bezwzględna
Te prędkości są powiązane trójkątnym prawem dodawania wektorów:
To stosunkowo proste równanie jest często używane podczas rysowania wykresu prędkości. Wykres prędkości dla łopatek skierowanych do przodu i do tyłu jest przedstawiony przy użyciu tego prawa. Kąt α jest kątem tworzonym przez prędkość bezwzględną w kierunku osiowym, a kąt β jest kątem tworzonym przez łopatę w stosunku do kierunku osiowego.
Różnica między wentylatorami a dmuchawami
Cechą odróżniającą wentylator promieniowy od dmuchawy jest stosunek ciśnienia, jaki może osiągnąć. Ogólnie dmuchawa może wytwarzać wyższy stosunek ciśnienia. Według Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechanicznych (ASME) określony stosunek - stosunek ciśnienia tłoczenia do ciśnienia ssania - jest używany do definiowania wentylatorów, dmuchaw i sprężarek. Wentylatory mają określony stosunek do 1,11, dmuchawy od 1,11 do 1,20, a sprężarki ponad 1,20. Zazwyczaj ze względu na wyższe ciśnienie, dmuchawy i sprężarki mają znacznie mocniejszą konstrukcję niż wentylatory.
Oceny
Dane znamionowe podane w tabelach i krzywych wydajności wentylatorów odśrodkowych są oparte na standardowym SCFM powietrza . Producenci wentylatorów określają standardowe powietrze jako czyste, suche powietrze o gęstości 0,075 funta masy na stopę sześcienną (1,2 kg/m 3 ), o ciśnieniu barometrycznym na poziomie morza 29,92 cala słupa rtęci (101,325 kPa) i temperaturze 70 ° F (21°C). Wybór wentylatora promieniowego do pracy w warunkach innych niż standardowe powietrze wymaga dostosowania zarówno do ciśnienia statycznego, jak i mocy .
Przy wyższej niż standardowa wysokości ( poziom morza ) i wyższej niż standardowa temperatura gęstość powietrza jest niższa niż standardowa gęstość. Korekty gęstości powietrza muszą uwzględniać wentylatory promieniowe przeznaczone do ciągłej pracy w wyższych temperaturach. Wentylator promieniowy wypiera stałą objętość powietrza w danym układzie niezależnie od gęstości powietrza.
Gdy wentylator promieniowy jest określony dla danego CFM i ciśnienia statycznego w warunkach innych niż standardowe, należy zastosować współczynnik korekcji gęstości powietrza, aby wybrać wentylator o odpowiedniej wielkości, aby spełnić nowe warunki. Ponieważ powietrze o temperaturze 200°F (93°C) waży tylko 80% powietrza o temperaturze 70°F (21°C), wentylator promieniowy wytwarza mniejsze ciśnienie i wymaga mniejszej mocy. Aby uzyskać rzeczywiste ciśnienie wymagane przy 200°F (93°C), projektant musi pomnożyć ciśnienie w standardowych warunkach przez współczynnik korekcji gęstości powietrza równy 1,25 (tj. 1,0/0,8), aby system działał prawidłowo. Aby uzyskać rzeczywistą moc przy 200°F (93°C), projektant musi podzielić moc w standardowych warunkach przez współczynnik korekcji gęstości powietrza.
Stowarzyszenie Ruchu Lotniczego i Kontroli (AMCA)
Tabele wydajności wentylatorów promieniowych podają wymagania dotyczące obrotów wentylatora i mocy dla danego CFM i ciśnienia statycznego przy standardowej gęstości powietrza. Jeśli wydajność wentylatora promieniowego nie jest w warunkach standardowych, przed wprowadzeniem do tabel wydajności należy przekonwertować wydajność na warunki standardowe. Wentylatory promieniowe oceniane przez Stowarzyszenie Ruchu i Kontroli Ruchu Powietrza (AMCA) są testowane w laboratoriach z konfiguracjami testowymi, które symulują instalacje typowe dla tego typu wentylatora. Zazwyczaj są one testowane i oceniane jako jeden z czterech standardowych typów instalacji określonych w standardzie AMCA 210.
AMCA Standard 210 określa jednolite metody przeprowadzania testów laboratoryjnych wentylatorów z obudową w celu określenia natężenia przepływu powietrza, ciśnienia, mocy i wydajności przy danej prędkości obrotowej. Celem AMCA Standard 210 jest określenie dokładnych procedur i warunków testowania wentylatorów tak, aby oceny różnych producentów były na tej samej podstawie i mogły być porównywane. Z tego powodu wentylatory muszą być oceniane w znormalizowanym SCFM.
Straty
Wentylatory promieniowe tracą wydajność zarówno w częściach nieruchomych, jak i ruchomych, zwiększając pobór energii wymagany dla danego poziomu wydajności przepływu powietrza.
Wejście wirnika
Przepływ na wlocie i jego obrót z kierunku osiowego na promieniowy powoduje straty na wlocie. Tarcie i separacja przepływu powodują straty łopatek wirnika, ponieważ zmienia się kąt natarcia . Te straty łopatek wirnika są również uwzględnione w tej kategorii.
Przeciek
Wyciek części powietrza i zakłócenia w głównym polu przepływu spowodowane są luzem pomiędzy wirującym obrzeżem wirnika a obudową na wlocie.
Wirnik
Dyfuzor i spirala
Separacja tarcia i przepływu powoduje również straty w dyfuzorze . Dalsze straty z powodu padania występują, gdy urządzenie pracuje poza warunkami projektowymi. Przepływ z wirnika lub dyfuzora rozszerza się w spirali , która ma większy przekrój prowadząc do powstawania wirów , co z kolei zmniejsza wysokość ciśnienia. Straty tarcia i separacji przepływu występują również z powodu przejścia spiralnego.
Tarcie tarczy
Lepki opór na tylnej powierzchni tarczy wirnika powoduje straty tarcia tarczy.
w literaturze
W powieści science-fiction Waltera Millera Pieśń dla Leibowitza (1959) zakon mnichów w postapokaliptycznym 26 wieku chroni schemat elektryczny „klatki wiewiórki” jako świętej relikwii, choć zastanawia się, jak ujawnić „wiewiórkę”. ”.
Zobacz też
- Wentylator osiowy
- Wentylator kanałowy
- Wentylator mechaniczny
- Standardowa temperatura i ciśnienie
- Straty trójwymiarowe i korelacja w maszynach wirnikowych
- Wachlarz
- Turbina wiatrowa