Wentylator promieniowy

Typowy wentylator odśrodkowy zakrzywiony do tyłu, w którym łopatki zakrzywiają się w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym się obracają

Wentylator odśrodkowy jest urządzeniem mechanicznym służącym do przemieszczania powietrza lub innych gazów w kierunku pod kątem do napływającego płynu. Wentylatory odśrodkowe często zawierają obudowę z kanałami , która kieruje powietrze wychodzące w określonym kierunku lub w poprzek radiatora ; taki wentylator jest również nazywany dmuchawą , wentylatorem dmuchawy lub wentylatorem klatkowym (ponieważ wygląda jak kołowrotek dla chomika ). Maleńkie 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 aplikacjach kanałowych do zasysania powietrza przez kanały/wymienniki ciepła lub przepychania powietrza przez podobne. wirniki . W porównaniu ze standardowymi wentylatorami osiowymi mogą zapewnić podobny ruch powietrza z mniejszego zespołu wentylatorów i pokonać większy opór w strumieniach powietrza.

Wentylatory odśrodkowe wykorzystują energię kinetyczną wirników do poruszania strumienia powietrza, który z kolei porusza się pokonując opór stawiany przez kanały, przepustnice i inne elementy. Wentylatory promieniowe wypierają powietrze promieniowo, zmieniając kierunek (zwykle o 90°) strumienia powietrza. Są solidne, ciche, niezawodne i zdolne do pracy w szerokim zakresie warunków.

Wentylatory odśrodkowe są, podobnie jak wentylatory osiowe, urządzeniami o stałej objętości, co oznacza, że ​​przy stałej prędkości wentylatora, wentylator odśrodkowy porusza 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, przez co wentylatory te nie nadają się do zastosowań, w których wymagana jest stała masa powietrza.

Wentylatory odśrodkowe nie są urządzeniami wyporowymi , a wentylatory odśrodkowe mają pewne zalety i wady w porównaniu z dmuchawami wyporowymi: wentylatory odśrodkowe są bardziej wydajne, podczas gdy dmuchawy wyporowe mogą mieć niższy koszt inwestycyjny i są w stanie osiągnąć znacznie wyższy stopień sprężania proporcje. Wentylatory odśrodkowe są zwykle porównywane do wentylatorów osiowych do zastosowań mieszkaniowych, przemysłowych i komercyjnych. Wentylatory osiowe zwykle działają z większą objętością, pracują przy niższych ciśnieniach statycznych i mają wyższą wydajność. Dlatego wentylatory osiowe są zwykle używane do ruchu powietrza o dużej objętości, takiego jak wywiew w magazynach lub cyrkulacja w pomieszczeniach, podczas gdy wentylatory odśrodkowe są używane do przemieszczania powietrza w zastosowaniach kanałowych, takich jak dom lub typowe środowisko biurowe.

Wentylator odśrodkowy ma kształt bębna, który składa się z wielu 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 , gdy przepływa przez łopatki wentylatora i opuszcza obudowę wentylatora.

Historia

Najwcześniejsza wzmianka o wentylatorach odśrodkowych pochodzi z 1556 roku od Georga Pawera ( łac . Następnie wentylatory odśrodkowe stopniowo wyszły z użycia. Dopiero w pierwszych dziesięcioleciach XIX wieku odżyło zainteresowanie wentylatorami odśrodkowymi. W 1815 roku markiz de Chabannes opowiadał się za zastosowaniem wentylatora odśrodkowego iw tym samym roku uzyskał brytyjski patent. W 1827 roku 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 odśrodkowy został wynaleziony przez rosyjskiego inżyniera wojskowego Aleksandra Sabłukowa w 1832 roku i był używany zarówno w rosyjskim przemyśle lekkim (np. Cukrowni), jak i za granicą.

Jednym z najważniejszych osiągnięć dla 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 znacznie przewyższało poprzednie konstrukcje z otwartymi wentylatorami i umożliwiało wydobywanie na dużych głębokościach. Takie wentylatory były szeroko stosowane do wentylacji kopalni w całej Wielkiej Brytanii.

Budowa

Rysunek 1: Elementy wentylatora odśrodkowego
Wbudowany wentylator odśrodkowy odprowadzający powietrze na zewnątrz budynku przez kanał. Geometria spiralna przekierowuje wypływ tak, aby był równoległy do ​​dopływu gazów.

Główne części wentylatora odśrodkowego to:

  1. Obudowa wentylatora
  2. Wirniki
  3. Kanały wlotowe i wylotowe
  4. Wał napędowy
  5. Mechanizm napędowy
  6. Przepustnice i łopatki wentylatora
  7. Kanały wlotowe i wylotowe
  8. Łopatki wentylatora
  9. Obudowa wentylatora

Inne stosowane komponenty mogą obejmować łożyska , sprzęgła , blokadę wirnika, obudowę wylotu wentylatora, płyty uszczelniające wał itp.

Mechanizmy napędowe

Napęd wentylatora określa prędkość obrotową wirnika wentylatora i stopień, w jakim można zmieniać tę prędkość. Istnieją dwa podstawowe typy napędów wentylatorów.

Bezpośredni

Koło wentylatora można połączyć bezpośrednio z wałem silnika elektrycznego . Oznacza to, że prędkość obrotowa wentylatora jest identyczna z prędkością obrotową silnika . Napęd bezpośredni jest najbardziej wydajną formą napędu wentylatora, ponieważ nie ma strat przeliczanych z prędkości obrotowej silników na prędkość wentylatora.

Niektórzy producenci elektroniki wykonali wentylatory odśrodkowe z silnikami z zewnętrznym wirnikiem (stojan znajduje się wewnątrz wirnika), a wirnik jest montowany bezpośrednio na kole (wirniku) wentylatora.

Pasek

Na wale silnika i wale wentylatora zamontowany jest zespół kół pasowych, a pas przenosi energię mechaniczną z silnika na wentylator .

Prędkość koła wentylatora zależy od stosunku średnicy koła pasowego silnika do średnicy koła pasowego koła wentylatora. Prędkości wirnika wentylatora w wentylatorach z napędem pasowym są stałe, chyba że pasek (paski) się ślizga. Poślizg paska może zmniejszyć prędkość 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 w mniejszych wentylatorach, takich jak wentylatory komputerowe, podczas gdy większe zastosowania mieszkalne i komercyjne wykorzystują łożyska kulkowe . Zastosowania przemysłowe mogą wykorzystywać specjalistyczne łożyska, takie jak chłodzone wodą łożyska tulejowe do odprowadzania gorących gazów.

Wiele dmuchaw turbo wykorzystuje łożysko powietrzne lub łożysko magnetyczne .

Dmuchawy z łożyskami magnetycznymi zapewniają niskie przenoszone wibracje, dużą prędkość lewitacji, niskie zużycie energii, wysoką niezawodność, bezolejową pracę i tolerancję na zanieczyszczenia cząsteczkowe w strumieniu powietrza.

Kontrola prędkości

Prędkość wentylatora w przypadku nowoczesnych wentylatorów jest realizowana 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 równoważona dla każdej instalacji wentylatora. Zwykle odbywa się to w czasie instalacji przez wykonawców testujących i równoważących, 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 wentylatorów 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 pracowały ze stałą prędkością silnika.

Łopatki wentylatora

Rysunek 3: Łopatki wentylatora odśrodkowego

Koło wentylatora składa się z piasty z pewną liczbą przymocowanych łopatek wentylatora. Łopatki wentylatora na piaście mogą być ułożone na trzy różne sposoby: wygięte do przodu, wygięte do tyłu lub promieniowe.

Zakrzywiony do przodu

Łopatki wygięte do przodu w wentylatorze domowym

Łopatki zakrzywione do przodu, jak na rysunku 3(a), zakrzywiają się w kierunku obrotu wirnika wentylatora. Są one szczególnie wrażliwe na cząstki stałe i zwykle są przeznaczone wyłącznie do zastosowań związanych z czystym powietrzem, takich jak klimatyzacja. Wentylatory wygięte do przodu są zwykle używane w zastosowaniach, w których ciśnienie statyczne jest zbyt wysokie dla wentylatora łopatkowego lub wymagany jest mniejszy wentylator odśrodkowy, ale charakterystyka hałasu wentylatora wygiętego do tyłu jest uciążliwa dla przestrzeni. Są w stanie zapewnić mniejszy przepływ powietrza przy większym wzroście ciśnienia statycznego w porównaniu z łopatkowymi wentylatorami osiowymi. Są one zwykle stosowane w klimakonwektorach . Są mniej wydajne niż wentylatory wygięte do tyłu.

Zakrzywiony do tyłu

Łopatki zakrzywione do tyłu, jak na rysunku 3 (b), zakrzywiają się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika wentylatora. Mniejsze dmuchawy mogą mieć pochylone do tyłu , które są proste, a nie zakrzywione. Większe dmuchawy pochylone do tyłu / zakrzywione mają łopatki, których krzywizny do tyłu naśladują przekrój poprzeczny płata, ale obie konstrukcje zapewniają dobrą wydajność operacyjną przy stosunkowo ekonomicznych technikach konstrukcyjnych. Tego typu dmuchawy są przeznaczone do obsługi strumieni gazu o niskim lub średnim obciążeniu cząstkami stałymi [ potrzebne źródło ] . Można je łatwo wyposażyć w ochronę przed zużyciem, ale niektóre krzywizny ostrzy mogą być podatne na gromadzenie się ciał stałych. [ potrzebne źródło ] . Koła wygięte do tyłu są często cięższe niż odpowiadające im odpowiedniki wygięte do przodu, ponieważ poruszają się z większymi prędkościami i wymagają mocniejszej konstrukcji.

Wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu mogą mieć szeroki zakres określonych prędkości, ale są najczęściej używane do zastosowań o średnich prędkościach — zastosowaniach o wysokim ciśnieniu i średnim przepływie, takich jak centrale wentylacyjne . [ potrzebne źródło ]

Wentylatory z łopatkami wygiętymi do tyłu są bardziej energooszczędne niż wentylatory z łopatkami promieniowymi i wentylatory z łopatkami wygiętymi do przodu, dlatego w zastosowaniach o dużej mocy mogą być odpowiednią alternatywą dla tańszych wentylatorów z łopatkami promieniowymi.

Prosto 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 gazu obciążonych cząstkami stałymi, ponieważ są najmniej wrażliwe na osadzanie się ciał stałych na łopatach, ale często charakteryzują się większym emisją hałasu. Wysokie prędkości, niskie objętości i wysokie ciśnienia są powszechne w przypadku dmuchaw promieniowych [ potrzebne źródło ] i są często stosowane w odkurzaczach , pneumatycznych systemach transportu materiałów i podobnych procesach.

Zasady działania

Wentylator odśrodkowy wykorzystuje energię odśrodkową pochodzącą z obrotu wirników do zwiększenia energii kinetycznej powietrza/gazów. Gdy wirniki obracają się, cząsteczki gazu w pobliżu wirników są wyrzucane z wirników, a następnie przemieszczają się do obudowy wentylatora. W rezultacie energia kinetyczna gazu jest mierzona jako ciśnienie ze względu na opór systemu, jaki stawia obudowa i kanał. Gaz jest następnie kierowany do wyjścia kanałami wylotowymi. Po wyrzuceniu gazu ciśnienie gazu w środkowym obszarze wirników maleje. Gaz z oka wirnika wpada, aby to znormalizować. Ten cykl się powtarza i dlatego gaz może być przenoszony w sposób ciągły.

Tabela 1: Różnice między wentylatorami a dmuchawami
Sprzęt Stosunek ciśnień Wzrost ciśnienia (mm H 2 O )
Fani Do 1,1 1136
Dmuchawy 1,1 do 1,2 1136-2066

Trójkąt prędkości

Główny artykuł: trójkąt prędkości

Diagram zwany trójkątem prędkości pomaga nam określić geometrię przepływu na wejściu i wyjściu łopaty. Aby narysować trójkąt prędkości w punkcie na ostrzu, wymagana jest minimalna liczba danych. Niektóre składowe prędkości zmieniają się w różnych punktach łopaty z powodu zmian kierunku przepływu. Stąd możliwa jest nieskończona liczba trójkątów prędkości dla danego ostrza. Aby opisać przepływ za pomocą tylko dwóch trójkątów prędkości, definiujemy średnie wartości prędkości i ich kierunek. Trójkąt prędkości dowolnej maszyny turbo ma trzy składowe, jak pokazano:

Trójkąt prędkości dla ostrza skierowanego do przodu
  • Prędkość ostrza U
  • 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. Wykresy prędkości dla ostrzy skierowanych do przodu i do tyłu zostały narysowane przy użyciu tego prawa. Kąt α to kąt, jaki tworzy prędkość bezwzględna z kierunkiem osiowym, a kąt β to kąt, jaki tworzą łopatki względem kierunku osiowego.

Trójkąt prędkości dla ostrza skierowanego do tyłu

Różnica między wentylatorami a dmuchawami

Cechą odróżniającą wentylator odśrodkowy od dmuchawy jest stosunek ciśnień, jaki może osiągnąć. Ogólnie rzecz biorąc, dmuchawa może wytwarzać wyższy stosunek ciśnień. Według Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników (ASME) określony stosunek – stosunek ciśnienia tłoczenia do ciśnienia ssania – służy do definiowania wentylatorów, dmuchaw i sprężarek. Wentylatory mają określony współczynnik do 1,11, dmuchawy od 1,11 do 1,20, a sprężarki ponad 1,20. Zazwyczaj ze względu na wyższe ciśnienia dmuchawy i sprężarki mają znacznie mocniejszą konstrukcję niż wentylatory.

Oceny

Wartości znamionowe podane w tabelach i krzywych wydajności wentylatorów odśrodkowych są oparte na standardowym SCFM powietrza . Producenci wentylatorów definiują standardowe powietrze jako czyste, suche powietrze o gęstości 0,075 funta masy na stopę sześcienną (1,2 kg/m 3 ), przy ciśnieniu barometrycznym na poziomie morza równym 29,92 cala słupa rtęci (101,325 kPa) i temperaturze 70 °C F (21 °C). Dobór wentylatora odśrodkowego do pracy w warunkach innych niż powietrze standardowe wymaga dostosowania zarówno ciśnienia statycznego, jak i mocy .

Na wysokości wyższej niż standardowa ( poziom morza ) i temperaturze wyższej niż standardowa gęstość powietrza jest niższa niż gęstość standardowa. Korekty gęstości powietrza muszą uwzględniać wentylatory odśrodkowe, które są przeznaczone do ciągłej pracy w wyższych temperaturach. Wentylator odśrodkowy wypiera stałą objętość powietrza w danym układzie niezależnie od gęstości powietrza.

Gdy wentylator odśrodkowy jest określony dla danej CFM i ciśnienia statycznego w warunkach innych niż standardowe, należy zastosować współczynnik korekcji gęstości powietrza, aby wybrać odpowiedni rozmiar wentylatora, aby spełnić nowe warunki. Ponieważ powietrze o temperaturze 200 °F (93 °C) waży tylko 80% powietrza o temperaturze 21 °C, wentylator odśrodkowy 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 wynoszący 1,25 (tj. 1,0/0,8), aby system działał poprawnie. Aby uzyskać rzeczywistą moc przy 200 ° F (93 ° C), projektant musi podzielić moc w standardowych warunkach przez współczynnik korekcji gęstości powietrza.

Stowarzyszenie Ruchu Powietrznego i Kontroli (AMCA)

Tabele wydajności wentylatorów odśrodkowych przedstawiają wymagania dotyczące prędkości obrotowej i mocy wentylatora dla danej CFM i ciśnienia statycznego przy standardowej gęstości powietrza. Gdy osiągi wentylatora odśrodkowego nie odpowiadają warunkom standardowym, należy je przeliczyć na warunki standardowe przed wprowadzeniem do tabel wydajności. Wentylatory odśrodkowe ocenione przez Air Movement and Control Association (AMCA) są testowane w laboratoriach z konfiguracjami testowymi, które symulują instalacje typowe dla tego typu wentylatorów. Zazwyczaj są one testowane i oceniane jako jeden z czterech standardowych typów instalacji zgodnie z normą AMCA 210.

AMCA Standard 210 określa jednolite metody przeprowadzania badań laboratoryjnych wentylatorów w obudowach w celu określenia natężenia przepływu powietrza, ciśnienia, mocy i wydajności przy danej prędkości obrotowej. Celem standardu AMCA 210 jest zdefiniowanie dokładnych procedur i warunków testowania wentylatorów, tak aby wartości znamionowe różnych producentów były na tej samej podstawie i można je było porównywać. Z tego powodu wentylatory muszą być oceniane w znormalizowanym SCFM.

Straty

Wentylatory odśrodkowe wykazują straty wydajności zarówno w przypadku części stacjonarnych, jak i ruchomych, zwiększając pobór energii wymagany do uzyskania określonego 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 na łopatkach wirnika, ponieważ następuje zmiana kąta natarcia . [ potrzebne dalsze wyjaśnienia ] Te straty na łopatkach wirnika są również ujęte w tej kategorii.

Przeciek

Wyciek powietrza i zakłócenia w głównym polu przepływu spowodowane są luzem pomiędzy obracającym się obrzeżem wirnika a obudową na wlocie.

Wirnik

Dyfuzor i spirala

Tarcie i separacja przepływu powodują również straty w dyfuzorze . Dalsze straty wynikające z częstości występowania występują, gdy urządzenie pracuje poza warunkami projektowymi. Przepływ z wirnika lub dyfuzora rozszerza się w spirali , która ma większy przekrój, co prowadzi do powstania wirów , co z kolei zmniejsza wysokość podnoszenia. Straty spowodowane tarciem i separacją przepływu występują również z powodu przejścia spiralnego.

Tarcie dysku

Lepki opór na tylnej powierzchni tarczy wirnika powoduje straty tarcia tarczy.

W literaturze

W powieści science-fiction Waltera Millera Kantyk dla Leibowitza (1959) zakon mnichów w postapokaliptycznym 26 wieku chroni schemat elektryczny „ klatki wiewiórki” jako świętą relikwię, choć zastanawia się, jak odsłonić „wiewiórkę ".

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Centrifugal_fan&oldid=1131912736 ”