Центробежный вентилятор
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2011 г. ) |
Центробежный вентилятор — механическое устройство для перемещения воздуха или других газов в направлении под углом к поступающей жидкости. Центробежные вентиляторы часто содержат канальный корпус для направления выходящего воздуха в определенном направлении или через радиатор ; такой вентилятор еще называют воздуходувкой , воздуходувкой или вентилятором «беличья клетка» (потому что он похож на колесо хомяка ). Крошечные устройства, используемые в компьютерах, иногда называют нагнетателями печенья . Эти вентиляторы перемещают воздух от вращающегося входного отверстия вентилятора к выходному отверстию. Они обычно используются в системах с воздуховодами либо для втягивания воздуха через воздуховоды/теплообменники, либо для проталкивания воздуха через аналогичные рабочие колеса . [1] По сравнению со стандартными осевыми вентиляторами они могут обеспечивать аналогичное движение воздуха из меньшего вентиляторного агрегата и преодолевать более высокое сопротивление воздушных потоков.
Центробежные вентиляторы используют кинетическую энергию рабочих колес для перемещения воздушного потока, который, в свою очередь, движется, преодолевая сопротивление, создаваемое воздуховодами, заслонками и другими компонентами. Центробежные вентиляторы перемещают воздух радиально, изменяя направление (обычно на 90°) воздушного потока. Они прочные, тихие, надежные и способны работать в широком диапазоне условий. [2]
Центробежные вентиляторы, как и осевые вентиляторы, представляют собой устройства постоянного объема, а это означает, что при постоянной скорости вентилятора центробежный вентилятор перемещает относительно постоянный объем воздуха, а не постоянную массу. Это означает, что скорость воздуха в системе фиксирована, но фактическая масса проходящего воздуха будет варьироваться в зависимости от плотности воздуха. Изменения плотности могут быть вызваны изменениями температуры входящего воздуха и высотой над уровнем моря, что делает эти вентиляторы непригодными для применений, где требуется обеспечить постоянную массу воздуха. [3]
Центробежные вентиляторы не являются устройствами прямого вытеснения , и центробежные вентиляторы имеют определенные преимущества и недостатки по сравнению с нагнетателями прямого вытеснения: центробежные вентиляторы более эффективны, тогда как нагнетатели прямого вытеснения могут иметь меньшие капитальные затраты и способны достигать гораздо более высокого сжатия. соотношения. [4] [5] [6] [7] [8] Центробежные вентиляторы обычно сравнивают с осевыми вентиляторами для жилых, промышленных и коммерческих помещений. Осевые вентиляторы обычно работают с большей производительностью, при более низком статическом давлении и имеют более высокий КПД. [9] Поэтому осевые вентиляторы обычно используются для перемещения больших объемов воздуха, например, для вытяжки складских помещений или циркуляции воздуха в помещениях, а центробежные вентиляторы используются для перемещения воздуха в канальных системах, таких как дома или типичные офисные помещения.
Центробежный вентилятор имеет форму барабана, состоящего из нескольких лопастей, установленных вокруг ступицы. Как показано на анимированном рисунке, ступица вращается на карданном валу, установленном в подшипниках в корпусе вентилятора. Газ поступает со стороны крыльчатки вентилятора , поворачивается на 90 градусов и ускоряется за счет центробежной силы , проходит через лопасти вентилятора и выходит из корпуса вентилятора. [10]
История
[ редактировать ]Самое раннее упоминание о центробежных вентиляторах было в 1556 году Георгом Павером (лат. Georgius Agricola ) в его книге De Re Metallica , где он показывает, как такие вентиляторы использовались для вентиляции шахт. [11] После этого центробежные вентиляторы постепенно вышли из употребления. Лишь в первые десятилетия девятнадцатого века интерес к центробежным вентиляторам возродился. В 1815 году маркиз де Шабанн выступил за использование центробежного вентилятора и в том же году получил британский патент. [12] В 1827 году Эдвин А. Стивенс из Бордентауна, штат Нью-Джерси, установил вентилятор для нагнетания воздуха в котлы парохода « Северная Америка» . [13] Точно так же в 1832 году шведско-американский инженер Джон Эрикссон использовал центробежный вентилятор в качестве нагнетателя на пароходе «Корсар» . [14] Центробежный вентилятор был изобретен русским военным инженером Александром Саблуковым в 1832 году и использовался как в легкой промышленности России (например, в сахарном производстве), так и за рубежом. [15]
Одной из важнейших разработок для горнодобывающей промышленности стал вентилятор Гибала , запатентованный в Бельгии в 1862 году французским инженером Теофилем Гибалем . Вентилятор Guibal имел спиральный корпус, окружающий лопасти вентилятора, а также гибкую заслонку для управления скоростью убегания, что значительно превосходило предыдущие конструкции открытого вентилятора и обеспечивало возможность добычи полезных ископаемых на больших глубинах. Такие вентиляторы широко использовались для вентиляции шахт по всей Великобритании. [16] [17]
Строительство
[ редактировать ]
Основными частями центробежного вентилятора являются:
- Корпус вентилятора
- Импеллеры
- Впускные и выпускные каналы
- Приводной вал
- Приводной механизм
- Демпферы и лопатки вентилятора
- Впускные и выпускные каналы
- Лопасти вентилятора
- Нагнетательный кожух вентилятора
Другие используемые компоненты могут включать подшипники , муфты , устройство блокировки рабочего колеса, нагнетательный кожух вентилятора, уплотнительные пластины вала и т. д. [18]
Приводные механизмы
[ редактировать ]Привод вентилятора определяет скорость вращения колеса вентилятора (крыльчатки) и степень изменения этой скорости. Существует два основных типа приводов вентиляторов. [10]
Прямой
[ редактировать ]Колесо вентилятора может быть соединено непосредственно с валом электродвигателя . двигателя Это означает, что скорость вращения крыльчатки вентилятора идентична скорости вращения . Прямой привод является наиболее эффективной формой привода вентилятора, поскольку при преобразовании скорости вращения двигателя в скорость вентилятора отсутствуют потери.
Некоторые производители электроники изготавливают центробежные вентиляторы с двигателями с внешним ротором (статор находится внутри ротора), а ротор установлен непосредственно на колесе вентилятора (крыльчатке).
Пояс
[ редактировать ]На валу двигателя и валу колеса вентилятора установлен набор шкивов , а ремень передает механическую энергию от двигателя к вентилятору.
Скорость крыльчатки вентилятора зависит от отношения диаметра шкива двигателя к диаметру шкива крыльчатки вентилятора. Скорость вращения колес вентиляторов с ременным приводом фиксирована, если ремень(и) не проскальзывают. Проскальзывание ремня может снизить скорость вращения крыльчатки вентилятора на несколько сотен оборотов в минуту (об/мин). [19] Ремни также представляют собой дополнительный элемент обслуживания.
Подшипники
[ редактировать ]Подшипники являются важной частью вентилятора. Подшипники скольжения используются для небольших вентиляторов, таких как компьютерные вентиляторы, а в более крупных жилых и коммерческих помещениях используются шарикоподшипники . В промышленности могут использоваться специализированные подшипники, такие как подшипники скольжения с водяным охлаждением для отвода горячих газов. [20]
Многие турбонагнетатели используют либо воздушный подшипник , либо магнитный подшипник . [21]
Вентиляторы с магнитными подшипниками обеспечивают низкую передаваемую вибрацию, высокую скорость левитации, низкое энергопотребление, высокую надежность, безмасляную работу и устойчивость к загрязнениям частицами в воздушном потоке. [22]
Контроль скорости
[ редактировать ]Скорость вращения современных вентиляторов осуществляется с помощью частотно-регулируемых приводов , которые напрямую управляют скоростью двигателей, увеличивая и уменьшая скорость двигателя в соответствии с различными воздушными потоками. Количество перемещаемого воздуха нелинейно зависит от скорости двигателя и должно быть индивидуально сбалансировано для каждой установки вентилятора. Обычно это делается во время установки подрядчиками по тестированию и балансировке, хотя некоторые современные системы напрямую контролируют поток воздуха с помощью приборов рядом с выпускным отверстием и могут использовать обратную связь для изменения скорости двигателя.
В старых вентиляторных установках использовались впускные или выпускные лопатки — металлические заслонки, которые можно было регулировать в открытии и закрытии на выходе вентилятора. Когда лопасти закрываются, они повышают давление и уменьшают поток воздуха от вентилятора. Это менее эффективно, чем VFD, поскольку VFD напрямую снижает электроэнергию, потребляемую двигателем вентилятора, в то время как лопасти работают с постоянной скоростью двигателя.
Лопасти вентилятора
[ редактировать ]
Колесо вентилятора состоит из ступицы, к которой прикреплено несколько лопастей. Лопасти вентилятора на ступице могут быть расположены тремя различными способами: изогнутыми вперед, изогнутыми назад или радиальными. [10]
изогнутый вперед
[ редактировать ]
Лопасти, загнутые вперед, как на рисунке 3(а), изгибаются в направлении вращения крыльчатки вентилятора. Они особенно чувствительны к твердым частицам и обычно предназначены только для применений с чистым воздухом, таких как кондиционирование воздуха. [23] Вентиляторы с загнутыми вперед лопатками обычно используются в тех случаях, когда статическое давление слишком велико для лопастного осевого вентилятора или требуется центробежный вентилятор меньшего размера, но шумовые характеристики вентилятора с загнутыми назад лопатками нарушают пространство. Они способны обеспечить меньший поток воздуха при более высоком увеличении статического давления по сравнению с лопастными осевыми вентиляторами. [24] Обычно они используются в фанкойлах . Они менее эффективны, чем вентиляторы с загнутыми назад лопатками. [25]
изогнутый назад
[ редактировать ]Лопасти, загнутые назад, как на рисунке 3(b), изгибаются против направления вращения крыльчатки вентилятора. Нагнетатели меньшего размера могут иметь наклоненные назад лопасти, прямые, а не изогнутые. Наклоненные назад/изогнутые вентиляторы большего размера имеют лопасти, кривизна которых назад имитирует поперечное сечение аэродинамического профиля, но обе конструкции обеспечивают хорошую эффективность работы при относительно экономичных методах строительства. Эти типы воздуходувок предназначены для обработки газовых потоков с низким и средним содержанием твердых частиц. [ нужна ссылка ] . Их можно легко снабдить защитой от износа, но некоторые изгибы лезвий могут быть склонны к скоплению твердых частиц. [ нужна ссылка ] . Колеса с загнутыми назад лопатками часто тяжелее, чем соответствующие эквиваленты с загнутыми вперед, поскольку они работают на более высоких скоростях и требуют более прочной конструкции. [26]
Вентиляторы с загнутыми назад лопатками могут иметь широкий диапазон удельных скоростей, но чаще всего используются в приложениях со средней удельной скоростью — в приложениях с высоким давлением и средним расходом, например, в установках кондиционирования воздуха . [ нужна ссылка ]
Вентиляторы с загнутыми назад лопатками более энергоэффективны, чем вентиляторы с радиальными лопастями и вентиляторы с загнутыми вперед лопатками, поэтому для приложений с высокой мощностью могут быть подходящей альтернативой более дешевому вентилятору с радиальными лопастями. [26]
Прямой радиальный
[ редактировать ]Радиальные вентиляторы, как показано на рисунке 3(c), имеют колеса, лопасти которых выходят прямо из центра ступицы. Колеса с радиальными лопастями часто используются в потоках газа, содержащих твердые частицы, поскольку они наименее чувствительны к отложениям твердых частиц на лопастях, но часто характеризуются более высоким уровнем шума. Высокие скорости, малые объемы и высокое давление характерны для радиальных воздуходувок. [ нужна ссылка ] и часто используются в пылесосах , пневматических системах транспортировки материалов и подобных процессах.
Принципы работы
[ редактировать ]Центробежный вентилятор использует центробежную энергию, возникающую при вращении крыльчаток, для увеличения кинетической энергии воздуха/газов. При вращении крыльчаток частицы газа вблизи крыльчаток отбрасываются от крыльчаток, а затем перемещаются в корпус вентилятора. В результате кинетическая энергия газа измеряется как давление из-за сопротивления системы, оказываемого корпусом и воздуховодом. Затем газ направляется к выходу через выпускные каналы. После сброса газа давление газа в средней части рабочих колес снижается. Газ из проушины крыльчатки устремляется, чтобы это нормализовать. Этот цикл повторяется, и поэтому газ может передаваться непрерывно.
| Оборудование | Степень давления | Повышение давления (мм Н 2 О ) |
|---|---|---|
| Фанаты | До 1,1 | 1136 |
| Воздуходувки | от 1,1 до 1,2 | 1136-2066 |
Треугольник скоростей
[ редактировать ]Диаграмма, называемая треугольником скорости, помогает нам определить геометрию потока на входе и выходе лопасти. Для построения треугольника скорости в точке лопасти требуется минимальное количество данных. Некоторая составляющая скорости меняется в разных точках лопасти из-за изменения направления потока. Следовательно, для данной лопасти возможно бесконечное количество треугольников скорости. Чтобы описать течение, используя только два треугольника скорости, определим средние значения скорости и их направление. Треугольник скоростей любой турбомашины состоит из трех компонентов, как показано:
- U Скорость лезвия
- V r Относительная скорость
- V Абсолютная скорость
Эти скорости связаны треугольником закона сложения векторов:
Это относительно простое уравнение часто используется при построении диаграммы скоростей. Диаграммы скоростей для передней и задней лопастей построены с использованием этого закона. Угол α представляет собой угол, образуемый абсолютной скоростью с осевым направлением, а угол β представляет собой угол, образуемый лопастью с осевым направлением.
Разница между вентиляторами и воздуходувками
[ редактировать ]Свойством, которое отличает центробежный вентилятор от нагнетателя, является степень сжатия, которую он может достичь. Как правило, воздуходувка может создавать более высокую степень давления. Согласно Американскому обществу инженеров-механиков (ASME), для определения вентиляторов, воздуходувок и компрессоров используется определенное соотношение – отношение давления нагнетания к давлению всасывания. Вентиляторы имеют удельный коэффициент до 1,11, нагнетатели – от 1,11 до 1,20, компрессоры – более 1,20. Обычно из-за более высокого давления нагнетатели и компрессоры имеют гораздо более прочную конструкцию, чем вентиляторы.
Рейтинги
[ редактировать ]Номинальные значения, приведенные в таблицах и кривых производительности центробежных вентиляторов, основаны на стандартном SCFM для воздуха . Производители вентиляторов определяют стандартный воздух как чистый, сухой воздух с плотностью 0,075 фунта массы на кубический фут (1,2 кг/м3). 3 ), с барометрическим давлением на уровне моря 29,92 дюйма ртутного столба (101,325 кПа) и температурой 70 °F (21 °C). Выбор центробежного вентилятора для работы в условиях, отличных от стандартного воздуха, требует регулировки как статического давления, так и мощности .
На высоте выше стандартной ( уровень моря ) и температуре выше стандартной плотность воздуха ниже стандартной плотности. Поправки на плотность воздуха должны учитывать центробежные вентиляторы, рассчитанные на непрерывную работу при более высоких температурах. Центробежный вентилятор вытесняет постоянный объем воздуха в данной системе независимо от плотности воздуха.
Если центробежный вентилятор рассчитан на заданные CFM и статическое давление в условиях, отличных от стандартных, необходимо применить поправочный коэффициент плотности воздуха, чтобы выбрать вентилятор подходящего размера, соответствующий новым условиям. Поскольку воздух с температурой 200 °F (93 °C) весит только 80% воздуха с температурой 70 °F (21 °C), центробежный вентилятор создает меньшее давление и требует меньше энергии. Чтобы получить фактическое давление, необходимое при температуре 200 °F (93 °C), проектировщик должен умножить давление при стандартных условиях на поправочный коэффициент плотности воздуха 1,25 (т. е. 1,0/0,8), чтобы система работала правильно. Чтобы получить фактическую мощность при температуре 200 °F (93 °C), проектировщик должен разделить мощность при стандартных условиях на поправочный коэффициент плотности воздуха.
Ассоциация воздушного движения и контроля (AMCA)
[ редактировать ]В таблицах производительности центробежных вентиляторов указаны частота вращения вентилятора и требования к мощности для данного CFM и статического давления при стандартной плотности воздуха. Если производительность центробежного вентилятора не соответствует стандартным условиям, перед вводом в таблицы производительности производительность необходимо преобразовать в стандартные условия. Центробежные вентиляторы, сертифицированные Ассоциацией по движению и контролю воздуха (AMCA), проходят испытания в лабораториях с испытательными установками, имитирующими установки, типичные для вентиляторов этого типа. Обычно они проходят испытания и оцениваются как один из четырех стандартных типов установки, указанных в стандарте AMCA 210. [27]
Стандарт AMCA 210 определяет единые методы проведения лабораторных испытаний корпусных вентиляторов для определения скорости воздушного потока, давления, мощности и эффективности при заданной скорости вращения. Целью стандарта AMCA 210 является определение точных процедур и условий тестирования вентиляторов, чтобы рейтинги, предоставленные различными производителями, были одинаковыми и их можно было сравнивать. По этой причине вентиляторы должны оцениваться в стандартизированных SCFM.
Потери
[ редактировать ] |
Центробежные вентиляторы теряют эффективность как в неподвижных, так и в движущихся частях, что увеличивает потребляемую энергию, необходимую для заданного уровня производительности воздушного потока.
Вход рабочего колеса
[ редактировать ]Поток на впуске и его поворот из осевого направления в радиальное приводит к потерям на впуске. Трение и отрыв потока вызывают потери лопаток рабочего колеса, поскольку происходит изменение угла наклона . [ нужны дальнейшие объяснения ] Эти потери на лопатках рабочего колеса также включены в эту категорию.
Утечка
[ редактировать ]Утечка некоторого количества воздуха и нарушение основного поля потока вызваны зазором, предусмотренным между вращающейся периферией рабочего колеса и корпусом на входе.
Рабочее колесо
[ редактировать ]Диффузор и спираль
[ редактировать ]Трение и разделение потока также вызывают потери в диффузоре . Дополнительные потери из-за инцидентов возникают, если устройство работает за пределами расчетных условий. Поток от крыльчатки или диффузора расширяется в улитку , имеющую большее поперечное сечение, что приводит к образованию завихрений , что, в свою очередь, снижает напор. Потери на трение и отрыв потока также возникают из-за улитки.
Трение диска
[ редактировать ]Вязкое сопротивление на задней поверхности диска рабочего колеса приводит к потерям на трение диска.
В литературе
[ редактировать ]В Уолтера Миллера научно-фантастическом романе «Песнь Лейбовицу » (1959) орден монахов в постапокалиптическом 26 веке хранит электрический чертеж «беличьей клетки» как священную реликвию, хотя и озадачен тем, как обнаружить «беличью клетку». ".
См. также
[ редактировать ]
- Осевой вентилятор - машина, используемая для создания воздушного потока.
- Канальный вентилятор – устройство для подачи воздуха
- Механический вентилятор - машина, используемая для создания воздушного потока.
- Стандартная температура и давление . Справочные значения температуры и давления.
- Трехмерные потери и корреляция в турбомашинах
- Вихревой вентилятор - большие центробежные вентиляторы, используемые для вентиляции угольных шахт.
- Ветряная турбина - машина, преобразующая энергию ветра в электрическую энергию.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Электроэнергетическое оборудование: вентиляторы и воздуходувки . ЮНЕП. 2006. с. 21.
- ^ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Вашингтон, округ Колумбия; Корпорация Resource Dynamics Вена, Вирджиния. Улучшение производительности системы вентиляторов (PDF) . п. 21 . Проверено 29 февраля 2012 г.
- ^ Тернер, Майк (1 мая 1996 г.). «Все, что вам нужно знать о фанатах» . Проверено 14 сентября 2021 г.
- ^ Программа ООН по окружающей среде. «Поклонники и воздуходувки» . 2006. с. 9. Цитата: «Центробежный нагнетатель и нагнетательный нагнетатель — два основных типа нагнетателей»
- ^ «Преимущества роторных воздуходувок прямого вытеснения по сравнению с центробежными воздуходувками» .1996.
- ^ Хуан Лоэра, PE «Обзор технологий Blower». Архивировано 30 августа 2017 г. в Wayback Machine . п. 10.
- ^ Джим Браун. «Великие дебаты: центробежный вентилятор против насоса объемного действия». Архивировано 24 июля 2015 г. в Wayback Machine . 2008.
- ^ Vac2Go. «Что лучше, ПД или комбинированный блок вентиляторов?» Архивировано 13 апреля 2021 г. в Wayback Machine . 2013.
- ^ «Какой вентилятор выбрать… Осевой или центробежный?» . Континентальный вентилятор. 5 августа 2013 года . Проверено 13 августа 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Типы вентиляторов. Архивировано 24 января 2010 г. в Wayback Machine ( Агентства по охране окружающей среды США ). страница веб-сайта
- ^ Георгиус Агрикола с Гербертом Кларком Гувером и Лу Генри Гувером, пер., De Re Metallica (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Dover Publications, Inc., 1950), стр. 203–207.
- ^ «Ранняя история комфортного отопления» . achrnews.com .
- ^ Уолтер Б. Сноу (ноябрь 1898 г.) «Механическая тяга для паровых котлов», Cassier's Magazine , 15 (1): 48–59; см. стр. 48.
- ^ (Редакция) (март 1919 г.) «Воспоминания о Джоне Эрикссоне», Mechanical Engineering , 41 : 260–261; см. стр. 261.
- ↑ История механического вентилятора. Архивировано 20 октября 2009 г. в Wayback Machine (на русском языке).
- ^ Уоллес, Энтони (1988). Сент-Клер: Опыт угольного города девятнадцатого века в условиях подверженной стихийным бедствиям промышленности . Издательство Корнельского университета. п. 45. ИСБН 978-0-8014-9900-5 .
- ^ Тейлор, Фионн. «Уитвик Страница 1» . www.healeyhero.co.uk .
- ^ «ТЕХНИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ» . Архивировано из оригинала 17 марта 2012 года . Проверено 29 февраля 2012 г.
- ^ «Замените клиновые ремни зубчатыми или синхронными ремнями» (PDF) . Министерство энергетики США.
- ^ Пастернак, Стивен (15 ноября 2018 г.). «Преимущества гидродинамических подшипников вентилятора с водяным охлаждением» .
- ^ Хуан Лоэра, PE «Обзор технологий воздуходувок и сравнение высокоскоростных турбонагнетателей». Архивировано 30 августа 2017 г. на Wayback Machine .п. 24.
- ^ «Высокоскоростная воздуходувная система Calnetix Technologies доставлена на МКС» .
- ^ Блох, Хайнц П.; Соарес, Клэр, ред. (1998). Технологическое оборудование (2-е изд.). Бостон: Баттерворт-Хайнеманн. п. 524 . ISBN 0-7506-7081-9 .
- ^ «Центробежные вентиляторы» . ebm-papst . Проверено 17 декабря 2014 г.
- ^ «Разница между вентилятором, загнутым вперед и назад» . 23 июля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Ценность в воздухе: почему вентиляторы с загнутой назад пленумной камерой с прямым приводом» (PDF) . Талса, штат Оклахома: AAON, Inc., с. 11.
- ^ Стандарт ANSI/AMCA 210-99, «Лабораторные методы тестирования вентиляторов на предмет аэродинамических характеристик»
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
