Под вентиляцией принято понимать воздухообмен в помещении, когда отработанный воздух удаляется и замещается свежим. Различают следующие типы вентиляции — естественную и с механическим побуждением, приточную и вытяжную, канальную и бесканальную, местную и общеобменную.
Вентиляция необходима с целью создания благоприятных условий для здоровья и самочувствия человека, сохранения оборудования и строительных конструкций здания, хранения материалов, продуктов, книг и т. д.
Одним из наиболее эффективных систем воздухообмена является вентиляция с механическим побуждением. Ключевыми элементами в организации такого воздухообмена являются вентиляторы. На сегодняшний день они широко используются для воздухообмена на промышленных предприятиях, для вентиляции квартир, торговых центров, бассейнов и др.
Типы и виды
В вентиляционных системах вентиляторы предназначены для транспортирования воздуха от источника забора до помещения. Это устройства для перемещения газов со степенью сжатия не более 1,5 (то есть разность давлений на входе и выходе должно быть не более 15 кПа). В случае, если подача воздуха происходит посредством воздуховодов, то они должны быть выбраны таким образом, чтобы поток подаваемого воздуха смог преодолеть сопротивление вентиляционной сети, которое создается за счет изгибов и поворотов воздуховодов, наличием решеток, фильтров и т.д. Сопротивление сети вызывает перепад давления, и величина этого перепада является определяющим фактором при выборе данного устройства.
Осевые вентиляторы
Они просты по конструкции, технологичны и дешевы при изготовлении, что в значительной степени обуславливает их широкое применение. Конструкция предусматривает движение входящего и выходящего воздушного потока вдоль оси двигателя.
Первый в мире осевой вентилятор был смонтирован и успешно использовался в Англии в 1734 году. До сих пор они применяются в различных сферах деятельности. Помимо решения вопросов вентиляции помещений, они находят широкое применение в вентиляции квартир, в охлаждении электроники, в приточных установках, используются в турбовентиляторных авиационных двигателях, монтируются в аэродинамические трубы и т.д.
Наиболее выраженным примером осевого является пропеллерный. Он имеет низкую эффективность, которую можно повысить, встраивая его в цилиндрический корпус (в этом случае показатель эффективности пропеллерного типа возрастает до 75%). Если сразу за лопастным колесом закрепить направляющие лопасти, то его эффективность увеличится еще на 10 %.
Прохождение воздушного потока через осевой вентилятор.
Радиальные вентиляторы
Впервые был запущен в 1835 г. и использовался для проветривания алтайского рудника. Конструкция и производительность изначально предполагали его использование в промышленных целях. В первую очередь обусловлено это тем, что они способны создавать достаточно высокое общее давление за счет формы рабочего колеса и лопаток.
Всасываемый через заборное отверстие воздух под действием вращения ротора, за счет специальной формы лопаток также приобретает вращательное движение и посредством центробежной силы выбрасывается под прямым углом к заборному отверстию.
Прохождение воздушного потока через радиальный вентилятор с загнутыми вперед лопатками.
Стрелка означает направление вращения вентилятора (в данном случае — по часовой стрелке).
Лопатки могут иметь различную форму и расположение относительно оси ротора. В первом случае лопатки загнуты назад (иллюстрация B). Производительность в значительной степени зависит от давления воздуха. Они не рекомендуются для работы с загрязненным воздухом. При сохранении низкого уровня шумовых характеристик их эффективность достигает 80%.
Радиальные вентиляторы с лопатками загнутыми назад наиболее эффективны в узком спектре, находящемся в левой части кривой графика эффективности. А с прямыми лопатками, отклоненными назад, весьма эффективны для работы с загрязненным воздухом. Здесь можно добиться эффективности до 70%.
Прямые радиальные лопатки (иллюстрация R) предотвращают налипание загрязняющих веществ на лопастное колесо. Такой тип лопаток позволяет достигнуть эффективности до 55%.
В случае, если лопатки загнуты вперед (иллюстрация F), изменение давления оказывает незначительное воздействие на объем воздуха. А с загнутой вперед крыльчаткой имеют меньшие габариты, чем предыдущие и имеют оптимальные показатели в правой части графика эффективности, и соответствует примерно 60%. На сегодняшний день данный тип оборудования находит широкое применение в производственных целях.
Диагональные вентиляторы
Являются синтезом радиальных и осевых. Воздух, проходя сквозь него, движется в осевом направлении, а затем в лопастном колесе отклоняется на 45 градусов. Радиальная крыльчатка за счет центробежной силы, действующей в радиальном направлении, увеличивает статическое давление. Достигаемая эффективность — до 80%.
Прохождение воздушного потока через диагональный вентилятор.
Диаметральные вентиляторы
Как правило, имеют форму продолговатого цилиндра и ротор в виде «беличьей клетки» — пустой в центре и лопатки вдоль периферии. Вместо стенок они имеют загнутые вперед лопасти. Забор воздуха происходит с фронтальной части. Воздух увлекается вращающимися лопатками, а затем благодаря диффузору приобретает ускорение в нужном направлении.
Они производят равномерный воздушный поток вдоль всей ширины ротора и имеют наиболее низкие шумовые характеристики. Несмотря на небольшой диаметр рабочего колеса, диаметральные тип способен подавать значительные объемы воздуха. Создаваемое ими давление сравнительно низкое, и тангенциальные вентиляторы, в основном, применяются в системах, где напор воздуха не важен — воздушные завесы, кондиционеры, фанкойлы и др.
Уровень их эффективности может достигать 65%.
Прохождение воздушного потока через диаметральный вентилятор.
Иные виды вентиляторов
В зависимости от конструктивного исполнения и назначения вентиляторы могут быть напольного, настольного, настенного, потолочного или канального исполнения, а также крышные.
Так наиболее простым примером вентиляции квартир является применение настольного или напольного типа.
Они, как правило, не имеют направляющего корпуса и служат только для перемешивания воздушных масс в помещении.
Немногим более эффективна вентиляция квартир, когда вентиляторы устанавливаются в оконные проемы, форточки или специальные проемы в стене. При этом, они работают на удаление воздуха из помещения, а поступление свежего воздуха происходит за счет естественной инфильтрации — притока воздуха через неплотности в элементах строения.
В случае если воздух только удаляется из помещения, а замена его новым происходит естественным путем, вентиляция называется вытяжной. В противном случае, когда воздух при помощи вентиляционной системы принудительно подается в помещение, вентиляция называется приточной.
Как правило, приточная установка для подачи свежего воздуха использует систему воздуховодов. Приточная установка позволяет производить забор свежего воздуха, его предварительную обработку (фильтрацию, подогрев или охлаждение, увлажнение или осушение) и транспортирование в помещение. Наиболее простая по конструкции приточная установка состоит из корпуса, вентилятора, фильтра и тена (электрического нагревателя).
Вентиляция квартир наиболее эффективна и оптимальна, когда объемы удаляемого и приточного воздуха сбалансированы. То есть, одновременно с одинаковой производительностью работают и приточная установка, и вытяжная вентиляция. Такие системы называют приточно-вытяжными.
По исполнению вентиляторы делятся на многозональные, канальные и крышные.
Отличительной чертой многозональных является корпус, позволяющий подключить одновременно несколько воздуховодов. Многозональные вид незаменим на объектах, где вытяжку воздуха (или наоборот его подвод) необходимо делать из нескольких помещений сразу. Их применение позволяет оптимизировать сети воздуховодов и сократить затраты на эксплуатацию всей вентиляционной сети в целом.
Канальные вентиляторы — наиболее распространенный вид оборудования для монтажа в вентиляционные каналы круглого и прямоугольного сечений. Они могут быть как осевого, так и радиального типа. Имея небольшие габариты, они могут монтироваться непосредственно в сечении воздуховодов.
Крышные, по определению, предназначены для установки на крышах зданий. В связи с более жесткими условиями эксплуатации (атмосферные осадки и постоянные ветровые нагрузки) их корпус изготавливается на усиленной раме из антикоррозионных материалов — оцинкованная или гальванизированная сталь, защитные эпоксидные покрытия и т.д. Они могут использоваться как для решения вопросов общей вентиляции, так и для местной, к которым относится вентиляция и вытяжка каминов, печей, газовых котлов и тому подобного оборудования.
Каждый тип вентилятора, в зависимости от предъявляемых к нему требований и условий эксплуатации, может иметь дополнительные конструктивные особенности — противопожарное исполнение, повышенную стойкость к вибрациям, пониженные шумовые характеристики, для дымоудаления, изготавливаться из материалов подходящих для агрессивных или запыленных сред, и т. д.
Теоретические расчеты характеристики сети
где:
delta P = общее давлении вентилятора (Па)
qv = расход воздуха (м³/ч или л/с)
k = постоянная
Пример:
Вентилятор подает 5 000 м³/ч при давлении 250 Па.
A. Как изобразить характеристику сети на графике?
a) Поставьте точку на характеристике (1),где давление составляет 250 Па , а расход — 5 000 м³/час.
Введите это значение в вышеприведенную формулу для получения значения константы k.
k = delta P / qv2 = 250 / 50002 = 0.00001
b) выберите произвольное снижение давления, например, 100 Па, рассчитайте расход воздуха и поставьте на графике точку (2).
m3/h
c) Сделайте тоже самое для 350 Па и поставте на графике точку 3.
m3/h
d) Теперь нарисуйте кривую, которая и покажет характеристику сети.
B. Что же произойдет, если давление в сети увеличится на 100 Па, например, из-за забитого фильтра?
a) рассчитайте коэффициент для новой характеристики сети:
k = 350/5000 (2) = 0,000014
b) выберите еще два других падения давления, например, 150 и250 Па, и рассчитайте для них расход воздуха.
m3/h
m3/h
c) постройте две новые точки (2 и 3) и проведите новую характеристику сети.
Новая рабочая точка (4) расположена на пересечении характеристики вентилятора и новой линией системы.
Данный график также показывает, что увеличение давления вызывает также уменьшение расхода воздуха примерно до 4 500 м³/час.
Эффективность вентилятора
где:
delta Pt = общее изменение давления (Па)
q = расход воздуха (м³/час)
P = мощность (Вт)
Аэродинамические характеристики
При выборе типа вентилятора необходимо учитывать сопротивление сети, возникающее за счет потерь давления связанных с перемещением воздуха.
Сопротивление сети включает в себя все аэродинамические потери на трассе воздуховодов — потери трения, потери при поворотах потока, при выходах потока в атмосферу и т.д., а также потери в элементах соединяющих элементы с сетью.
Характеристики на приведенных выше графиках справедливы с тем условием, что вентиляторы были установлены в вентиляционную систему правильно.
Существуют основные правила установки вентиляторов в сети воздуховодов:
при их установке в сечение воздуховода, длина прямого участка воздуховода со стороны всасывания должна составлять не менее одного его диаметра;
аналогичный участок воздуховода со стороны нагнетания, расположенный сразу за вентилятором, должен быть не менее трех диаметров воздуховода.
Аэродинамические характеристики вентилятора и сети.
Правильно установленный канальный вентилятор:
расстояние со стороны забора до ближайшей стены должно превышать 0,75 диаметра ввода;
поперечное сечение входного воздуховода должно составлять от 92 до 112% от входного отверстия;
воздуховод на всасывании не должен иметь никаких препятствий воздушному потоку — демпферов, ответвлений и т.д.
со стороны нагнетания угол поперечного сечения воздуховода должен быть не более 15%;
угол расширения со стороны нагнетания не более 7%;
при проектировании и монтаже воздуховодов следует избегать поворотов трассы под прямым углом (90 градусов), вместо этого необходимо использовать повороты под 45 градусов;
отводы должны иметь такую форму, чтобы повторять воздушный поток, выходящий после вентилятора.
Характеристики сети
Сопротивление вентиляционной системы при различных расходах отображаются на графике характеристики сети. Рабочая точка — это точка пересечения характеристики сети и аэродинамической характеристики вентилятора. Она показывает характеристики потока для данной сети воздуховодов.
Каждое изменение давления в вентиляционной системе дает начало новой характеристике сети. Если давление возрастает, характеристика сети будет аналогична линии В. При снижении давления, линия системы будет аналогична линии С. (При условии, что количество оборотов рабочего колеса остается неизменным).
Изменения давления дает начало новым кривым сети.
Если реальное сопротивление сети представленно кривой В, рабочая точка сдвигается с 1 на 2. Это также влечет за собой уменьшение расхода воздуха. Таким же образом расход воздуха возрастет, если сопротивление сети соответствует линии С.
Если реальный перепад давления в системе воздуховодов больше или меньше, чем расчетный, рабочая точка и расход воздуха будут отличаться от того, что ожидалось.
Увеличение или уменьшение скорости вращения.
Для получения расхода воздуха, аналогичного расчетному, можно в первом случае, (где характеристика сети соответствует В), просто увеличить скорость вентилятора. Рабочая точка (4) будет находиться в этом случае на пересечении характеристики сети В и характеристики вентилятора для более высокой скорости вращения. Точно также скорость вращения может быть уменьшена, если реальная характеристика сети соответствует линии С.
Разница в давлении при различных скоростях вращения.
В обоих случаях будет наблюдаться некоторое отличие в показателях давления от характеристики сети, для которых были проведены расчеты, и это показано как delta P1 и delta P2 на рисунке соответственно. Это означает, что рабочая точка для расчетной сети была выбрана таким образом, чтобы выйти на максимальный уровень эффективности, и каждое такое повышение и понижение скорости вращения ведет к сокращению эффективности.
Определение характеристики сети где:
L = линия системы
delta pd = динамическое давление (Па)
delta pt = общее давление (Пa)
Эффективность и характеристики сети
Для того чтобы облегчить выбор типа вентилятора, можно построить несколько возможных характеристик сети на графике, а затем посмотреть, между какими характеристиками работает определенный тип. Если пронумеровать характеристики сети от 0 до 10, вентилятор будет свободно дуть (максимальный расход воздуха) на линии 10, и захлебнется (нулевой расход) на линии 0. Это означает, что вентилятор на линии системы 4 производит 40% от свободного расхода.
Характеристики сети (0:10) на графике вентилятора.
Эффективность вдоль всей характеристики сети остается постоянной. Вентиляторы с загнутыми назад лопатками часто имеют более высокую эффективность, чем с загнутыми вперед лопатками. Но более высокий уровень эффективности достижим лишь на ограниченном участке, где характеристика сети представленна меньшим расходом при заданном давлении, чем у вентиляторов с загнутыми вперед лопатками.
Чтобы получить расход аналогичный тому, что у вентиляторов с загнутыми вперед лопатками, и сохранить при этом высокий уровень эффективности, нужно выбрать с загнутыми назад лопатками большего размера.
Значения эффективности для аналогичных размеров центробежных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад и загнутыми вперед, соответственно.
Удельная мощность вентилятора
Удельная мощность вент-ра для здания: где:
Ptf =общая мощность для приточных (КВт)
Pff = общая мощность для вытяжных (КВт)
qf = выбранный расход (м³/с)
Теоретический расчет потребляемой мощности: где:
P = потребляемая электрическая мощность (КВт)
pt = общее давление (Па)
q = расход воздуха (м³/с)
eta fan = эффективность вентилятора
eta belt = эффективность ременной передачи
eta motor = эффективность электродвигателя
Удельная мощность вентилятора
В странах Европы действуют строгие правила по эффективному энергопотреблению в зданиях, как промышленного назначения, так и жилого фонда. Шведский институт внутреннего климата Svenska Inneklimatinsitutet предложил в качестве меры эффективности систем вентиляции считать удельную мощность вентилятора — SFP.
Согласно этой концепции удельная мощность определяется отношением общей энергетической эффективности всех вентиляторов вентиляционной системы к общему воздушному потоку, проходящему через здание. При этом чем ниже значение данного отношения, тем выше эффективность вентиляционной системы.
Для коммунального сектора рекомендованное значение удельной мощности составляет 2,0 для вентиляционных систем после ремонта, и — 1,5 для новых вентиляционных систем.