Ventilátory pro potrubní větrací systémy
Tento modul se zabývá odstředivými a axiálními ventilátory používanými v potrubních ventilačních systémech a zvažuje vybrané aspekty, včetně jejich charakteristik a provozních atributů.
Dva běžné typy ventilátorů používané v technických zařízeních budov pro potrubní systémy se obecně označují jako odstředivé a axiální ventilátory – název odvozený od určujícího směru proudění vzduchu ventilátorem. Tyto dva typy se samy dělí na několik podtypů, které byly vyvinuty tak, aby poskytovaly specifické charakteristiky objemového průtoku/tlaku, jakož i další provozní vlastnosti (včetně velikosti, hluku, vibrací, čistitelnosti, údržby a robustnosti).
Tabulka 1: Publikované údaje o maximální účinnosti ventilátorů v USA a Evropě pro ventilátory s průměrem >600 mm
Některé z nejčastěji se vyskytujících typů ventilátorů používaných v systémech vytápění, větrání a klimatizace (HVAC) jsou uvedeny v tabulce 1 spolu s orientačními maximálními účinnostmi, které byly shromážděny1 z údajů publikovaných řadou amerických a evropských výrobců. Kromě nich se v posledních letech těší rostoucí popularitě „zásuvkový“ ventilátor (což je ve skutečnosti varianta odstředivého ventilátoru).
Obrázek 1: Obecné křivky ventilátorů. Skutečné ventilátory se mohou od těchto zjednodušených křivek značně lišit.
Charakteristické křivky ventilátoru jsou znázorněny na obrázku 1. Jedná se o přehnané, idealizované křivky a skutečné ventilátory se od nich mohou lišit; pravděpodobně však vykazují podobné vlastnosti. To zahrnuje oblasti nestability způsobené kolísáním, kdy ventilátor může přepínat mezi dvěma možnými průtoky při stejném tlaku, nebo v důsledku zastavení ventilátoru (viz Zastavení skříně proudění vzduchu). Výrobci by měli ve své dokumentaci také uvést preferované „bezpečné“ pracovní rozsahy.
Radiální ventilátory
U odstředivých ventilátorů vstupuje vzduch do oběžného kola podél jeho osy a poté je odstředivým pohybem radiálně vypouštěn z oběžného kola. Tyto ventilátory jsou schopny generovat jak vysoké tlaky, tak i vysoké objemové průtoky. Většina tradičních odstředivých ventilátorů je uzavřena ve spirálovém krytu (jak je znázorněno na obrázku 2), který usměrňuje pohybující se vzduch a efektivně přeměňuje kinetickou energii na statický tlak. Pro pohyb většího množství vzduchu lze ventilátor navrhnout s oběžným kolem s „dvojitou šířkou a dvojitým vstupem“, které umožňuje vstup vzduchu z obou stran skříně.
Obrázek 2: Odstředivý ventilátor ve spirálovém krytu s dozadu skloněným oběžným kolem
Oběžné kolo může mít několik tvarů lopatek, přičemž hlavními typy jsou dopředu zakřivené a dozadu zakřivené – tvar lopatky určuje její výkon, potenciální účinnost a tvar charakteristické křivky ventilátoru. Dalšími faktory, které ovlivňují účinnost ventilátoru, jsou šířka oběžného kola, mezera mezi vstupním kuželem a rotujícím oběžným kolem a plocha používaná k výstupu vzduchu z ventilátoru (tzv. „oblast proudění vzduchu“).
Tento typ ventilátoru byl tradičně poháněn motorem s uspořádáním řemenice a řemenice. S pokrokem v elektronické regulaci otáček a rostoucí dostupností elektronicky komutovaných („EC“ neboli bezkartáčových) motorů se však stále častěji používají přímé pohony. To nejen odstraňuje neefektivitu spojenou s řemenovým pohonem (která se může pohybovat od 2 % do více než 10 % v závislosti na údržbě2), ale pravděpodobně také snižuje vibrace, snižuje nároky na údržbu (méně ložisek a požadavků na čištění) a zvyšuje kompaktnost sestavy.
Odstředivé ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami
Ventilátory s dozadu zahnutými (nebo „šikmými“) lopatkami se vyznačují lopatkami, které se naklánějí od směru otáčení. Při použití aerodynamických lopatek, jak je znázorněno na obrázku 3, nebo s hladkými lopatkami tvarovanými ve třech rozměrech, mohou dosáhnout účinnosti až 90 %, při použití hladkých zahnutých lopatek a opět menší při použití jednoduchých plochých dozadu zahnutých lopatek. Vzduch opouští konce oběžného kola relativně nízkou rychlostí, takže ztráty třením uvnitř skříně jsou nízké a hluk generovaný vzduchem je také nízký. Mohou se zastavit v extrémních bodech provozní křivky. Relativně širší oběžná kola poskytnou nejvyšší účinnost a lze je snadno využít s robustnějšími aerodynamickými profilovanými lopatkami. Štíhlá oběžná kola budou mít z použití aerodynamických lopatek malý užitek, proto se obvykle používají ploché lopatky. Ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami jsou obzvláště známé svou schopností vytvářet vysoké tlaky v kombinaci s nízkou hlučností a mají charakteristiku nepřetížitelného výkonu – to znamená, že s klesajícím odporem v systému a zvyšujícím se průtokem se snižuje i výkon odebíraný elektromotorem. Konstrukce ventilátorů s dozadu zahnutými lopatkami bude pravděpodobně robustnější a poněkud těžší než méně účinný ventilátor s dopředu zahnutými lopatkami. Relativně pomalá rychlost vzduchu proudícího přes lopatky může umožnit hromadění nečistot (jako je prach a mastnota).
Obrázek 3: Znázornění oběžných kol odstředivých ventilátorů
Dopředu zahnuté odstředivé ventilátory
Ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami se vyznačují velkým počtem dopředu zahnutých lopatek. Protože obvykle produkují nižší tlaky, jsou menší, lehčí a levnější než ekvivalentní ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami s pohonem. Jak je znázorněno na obrázku 3 a obrázku 4, tento typ oběžného kola ventilátoru bude obsahovat více než 20 lopatek, které mohou být jednoduše vyrobeny z jednoho kovového plechu. Vyšší účinnosti se dosahuje u větších velikostí s jednotlivě tvarovanými lopatkami. Vzduch opouští špičky lopatek vysokou tangenciální rychlostí a tato kinetická energie musí být v pouzdře přeměněna na statický tlak – to snižuje účinnost. Obvykle se používají pro nízké až střední objemy vzduchu při nízkém tlaku (obvykle <1,5 kPa) a mají relativně nízkou účinnost pod 70 %. Spirálová skříň je obzvláště důležitá pro dosažení nejlepší účinnosti, protože vzduch opouští špičky lopatek vysokou rychlostí a slouží k efektivní přeměně kinetické energie na statický tlak. Pracují při nízkých otáčkách, a proto hladiny mechanicky generovaného hluku bývají nižší než u ventilátorů s vyššími otáčkami a dozadu zahnutými lopatkami. Ventilátor má charakteristiku přetížení, když pracuje s nízkým odporem systému.
Obrázek 4: Dopředně zahnutý odstředivý ventilátor s integrovaným motorem
Tyto ventilátory nejsou vhodné tam, kde je například vzduch silně znečištěn prachem nebo unáší kapičky tuku.
Obrázek 5: Příklad ventilátoru s přímým pohonem a dozadu zahnutými lopatkami
Radiální lopatkové odstředivé ventilátory
Radiální odstředivý ventilátor s lopatkami má výhodu v tom, že dokáže pohybovat částicemi kontaminovaného vzduchu a při vysokých tlacích (řádově 10 kPa), ale při vysokých otáčkách je velmi hlučný a neefektivní (<60 %), a proto by se neměl používat pro všeobecné HVAC. Trpí také charakteristikou přetížení – s tím, jak se snižuje odpor systému (možná otevíráním regulačních klapek), se výkon motoru zvyšuje a v závislosti na velikosti motoru může dojít k jeho „přetížení“.
Zapojte ventilátory
Místo montáže do spirálového krytu lze tato účelově navržená odstředivá oběžná kola použít přímo v krytu vzduchotechnické jednotky (nebo dokonce v jakémkoli potrubí či plénu) a jejich počáteční náklady budou pravděpodobně nižší než u krytých odstředivých ventilátorů. Tyto ventilátory, známé jako „plénum“, „plug“ nebo jednoduše „nekrytované“, mohou poskytnout určité prostorové výhody, ale za cenu ztráty provozní účinnosti (přičemž nejlepší účinnost je podobná jako u krytých odstředivých ventilátorů s dopřednými zahnutými lopatkami). Ventilátory nasávají vzduch vstupním kuželem (stejně jako krytý ventilátor), ale poté vzduch radiálně vypouštějí po celém 360° vnějším obvodu oběžného kola. Mohou poskytovat velkou flexibilitu výstupních připojení (z pléna), což znamená, že může být menší potřeba sousedních ohybů nebo ostrých přechodů v potrubí, které by samy o sobě zvyšovaly tlakovou ztrátu systému (a tím i dodatečný výkon ventilátoru). Celkovou účinnost systému lze zlepšit použitím hrdlových vstupů do potrubí vycházejícího z pléna. Jednou z výhod ventilátoru s nástrčným ventilem je jeho zlepšený akustický výkon, který je z velké části důsledkem pohlcování zvuku v plénu a absence „přímých viditelných“ cest od oběžného kola do ústí potrubí. Účinnost bude velmi závislá na umístění ventilátoru v plénu a na vztahu ventilátoru k jeho výstupu – plénum se používá k přeměně kinetické energie vzduchu, a tím ke zvýšení statického tlaku. Podstatně odlišný výkon a různá stabilita provozu budou záviset na typu oběžného kola – oběžná kola se smíšeným prouděním (zajišťující kombinaci radiálního a axiálního proudění) se používají k překonání problémů s prouděním vyplývajících ze silného radiálního proudění vzduchu vytvořeného pomocí jednoduchých odstředivých oběžných kol3.
U menších jednotek je jejich kompaktní konstrukce často doplněna použitím snadno ovladatelných EC motorů.
Axiální ventilátory
U axiálních ventilátorů prochází vzduch ventilátorem v linii s osou otáčení (jak je znázorněno na jednoduchém trubkovém axiálním ventilátoru na obrázku 6) – tlak je vytvářen aerodynamickým vztlakem (podobně jako u křídla letadla). Tyto ventilátory mohou být poměrně kompaktní, levné a lehké, obzvláště vhodné pro pohyb vzduchu při relativně nízkých tlacích, takže se často používají v odsávacích systémech, kde jsou tlakové ztráty nižší než v přívodních systémech – přívod obvykle zahrnuje tlakovou ztrátu všech klimatizačních komponent ve vzduchotechnické jednotce. Když vzduch opouští jednoduchý axiální ventilátor, víří v důsledku rotace, která je vzduchu při průchodu oběžným kolem způsobena – výkon ventilátoru lze výrazně zlepšit pomocí vodicích lopatek za nimi, které rekuperují víření, jako u lopatkového axiálního ventilátoru znázorněného na obrázku 7. Účinnost axiálního ventilátoru je ovlivněna tvarem lopatky, vzdáleností mezi špičkou lopatky a okolním pláštěm a rekuperací víření. Sklon lopatky lze měnit tak, aby se efektivně měnil výkon ventilátoru. Obrácením otáčení axiálních ventilátorů lze také obrátit proudění vzduchu – i když ventilátor bude navržen tak, aby pracoval v hlavním směru.
Obrázek 6: Trubkový axiální ventilátor
Charakteristická křivka axiálních ventilátorů má oblast zastavení, která je může činit nevhodnými pro systémy s velmi proměnlivým rozsahem provozních podmínek, ačkoli mají výhodu v charakteristikě nepřetížení výkonu.
Obrázek 7: Lopatkový axiální ventilátor
Axiální ventilátory s lopatkami mohou být stejně účinné jako odstředivé ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami a jsou schopny produkovat vysoké průtoky při rozumném tlaku (obvykle kolem 2 kPa), i když pravděpodobně vytvářejí více hluku.
Ventilátor se smíšeným prouděním je vývojovým stupněm axiálního ventilátoru a, jak je znázorněno na obrázku 8, má kuželovité oběžné kolo, kde je vzduch radiálně nasáván rozšiřujícími se kanály a poté axiálně prochází rovnacími vodicími lopatkami. Kombinovaný účinek může vytvořit mnohem vyšší tlak, než je možné u jiných axiálních ventilátorů. Účinnost a hladina hluku mohou být podobné jako u odstředivého ventilátoru s reverzní křivkou.
Obrázek 8: Řadový ventilátor se smíšeným prouděním
Instalace ventilátoru
Snahy o zajištění účinného řešení s ventilátorem mohou být vážně narušeny vztahem mezi ventilátorem a místními vzduchovody.
Čas zveřejnění: 7. ledna 2022