Центробежный вентилятор - Centrifugal fan

Типичный центробежный вентилятор с загнутыми назад лопатками, в котором лопасти изгибаются в сторону от направления, в котором они вращаются.

А центробежный вентилятор это механическое устройство для перемещения воздуха или другой газы в направлении под углом к ​​поступающей жидкости. Центробежные вентиляторы часто содержат канальный корпус направить исходящий воздух в определенном направлении или через радиатор; такой веер еще называют воздуходувка, вентилятор, воздуходувка для печенья[нужна цитата ], или же беличий вентилятор (потому что это похоже на колесо хомяка ). Эти вентиляторы увеличивают скорость и объем воздушного потока с вращающейся рабочие колеса.[1]

Центробежные вентиляторы используют кинетическую энергию рабочие колеса для увеличения объема воздушного потока, который, в свою очередь, движется, преодолевая сопротивление, вызываемое воздуховодами, заслонками и другими компонентами. Центробежные вентиляторы вытесняют воздух радиально, изменяя направление (обычно на 90 °) воздушного потока. Они прочные, бесшумные, надежные и способны работать в широком диапазоне условий.[2]

Центробежные вентиляторы представляют собой устройства постоянного рабочего объема или постоянного объема, что означает, что при постоянной скорости вращения вентилятора центробежный вентилятор перемещает относительно постоянный объем воздуха, а не постоянную массу. Это означает, что скорость воздуха в системе фиксирована, даже если массовый расход через вентилятор не является фиксированным.[нужна цитата ]

Центробежные вентиляторы не устройства прямого вытеснения и центробежные вентиляторы имеют определенные преимущества и недостатки по сравнению с нагнетательными вентиляторами прямого вытеснения: центробежные вентиляторы более эффективны, тогда как нагнетательные вентиляторы прямого вытеснения могут иметь более низкие капитальные затраты.[3][4][5][6][7]

Центробежный вентилятор имеет форму барабана, состоящего из нескольких лопастей вентилятора, установленных вокруг ступицы. Как показано на анимированном рисунке, концентратор включает карданный вал установлен в подшипниках в корпусе вентилятора. Газ поступает со стороны вентилятора колесо, поворачивается на 90 градусов и ускоряет из-за центробежная сила поскольку он течет по лопастям вентилятора и выходит из корпуса вентилятора.[8]

История

Самое раннее упоминание о центробежных вентиляторах было в 1556 году Георгом Павером (лат. Георгиус Агрикола ) в своей книге De Re Metallica, где показано, как такие вентиляторы использовались для проветривания шахт.[9] После этого центробежные вентиляторы постепенно вышли из употребления. Только в первые десятилетия XIX 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.[10] В 1827 году Эдвин А. Стивенс из Бордентауна, штат Нью-Джерси, установил вентилятор для нагнетания воздуха в котлы парохода. Северная Америка.[11] Точно так же в 1832 году шведско-американский инженер Джон Эрикссон использовал центробежный вентилятор в качестве нагнетателя на пароходе Корсар.[12] Центробежный вентилятор изобрел русский военный инженер. Александр Саблуков в 1832 г. и применялся как в легкой промышленности России (например, в производстве сахара), так и за рубежом.[13]

Одним из наиболее важных достижений в горнодобывающей промышленности стал Фанат Гибала, который был запатентован в Бельгия в 1862 г. французским инженером Теофиль Гибаль. Вентилятор Guibal имел спиральный кожух, окружающий лопасти вентилятора, а также гибкую заслонку для управления выходной скоростью, что значительно превосходило его по сравнению с предыдущими конструкциями с открытым вентилятором и давало возможность добычи полезных ископаемых на больших глубинах. Такие вентиляторы широко использовались для вентиляции шахт по всей Великобритании.[14][15]

Строительство

Рисунок 1: Компоненты центробежного вентилятора

Основные части центробежного вентилятора:

  1. Корпус вентилятора
  2. Рабочие колеса
  3. Входные и выходные каналы
  4. Приводной вал
  5. Механизм привода

Другие используемые компоненты могут включать подшипники, муфты, устройство блокировки крыльчатки, нагнетательный кожух вентилятора, уплотнительные пластины вала и т. д.[16]

Механизмы привода

Привод вентилятора определяет скорость крыльчатки вентилятора (крыльчатки) и степень, в которой эта скорость может изменяться. Есть два основных типа приводов вентилятора.[8]

Прямой

Крыльчатка вентилятора может быть соединена непосредственно с валом электрический двигатель. Это означает, что скорость вращения крыльчатки вентилятора идентична скорости двигателя. вращающийся скорость. С этим типом механизма привода вентилятора скорость вращения вентилятора не может быть изменена, если скорость двигателя не регулируется. Кондиционер автоматически обеспечивает более высокую скорость, потому что более холодный воздух плотнее.

Некоторые производители электроники сделали центробежные вентиляторы с двигателями с внешним ротором (статор находится внутри ротора), а ротор установлен непосредственно на крыльчатке вентилятора (крыльчатке).

Пояс

Набор снопы установлен на валу двигателя и валу колеса вентилятора, а ремень передает механическую энергию от двигателя к вентилятору.

Скорость вращения крыльчатки вентилятора зависит от соотношение диаметра шкива двигателя до диаметра шкива крыльчатки вентилятора и может быть получено из этого уравнения:[8]

куда: 
= скорость вращения крыльчатки вентилятора, оборотов в минуту
= скорость двигателя, указанная на паспортной табличке, оборотов в минуту
= диаметр шкива двигателя
= диаметр шкива крыльчатки вентилятора

Скорость вращения крыльчатки в вентиляторах с ременным приводом фиксирована, если ремень (ремни) не проскальзывает. Проскальзывание ремня может снизить скорость вращения крыльчатки вентилятора на несколько сотен оборотов в минуту (об / мин).

Подшипники

Подшипники - важная часть вентилятора. Масляные подшипники с втулочными кольцами широко используются в вентиляторах. Некоторые подшипники с кольцом скольжения могут иметь водяное охлаждение. Подшипники скольжения с водяным охлаждением часто используются, когда вентилятор перемещает горячие газы. Тепло проходит через вал в масло, которое необходимо охлаждать, чтобы предотвратить перегрев подшипника. Низкоскоростные вентиляторы имеют подшипники в труднодоступных местах, поэтому в них используются подшипники с консистентной смазкой.

Многие турбонагнетатели используют либо воздушный подшипник или магнитный подшипник.[17]

Заслонки и лопатки вентилятора

Заслонки вентилятора используются для управления потоком газа в центробежный вентилятор и из него. Они могут быть установлены на входной или выходной стороне вентилятора, либо на обеих сторонах. Демпферы на выходной стороне создают гидравлическое сопротивление, которое используется для регулирования потока газа. Заслонки на входной стороне (входные лопатки) предназначены для регулирования потока газа путем изменения количества газа или воздуха, поступающего на вход вентилятора.

Впускные заслонки (впускные лопатки) снижают потребление энергии вентилятором за счет их способности влиять на поток воздуха в вентилятор.[8]

Лопасти вентилятора

Рисунок 3: Лопасти центробежного вентилятора

Крыльчатка вентилятора состоит из ступицы с несколькими прикрепленными к ней лопастями вентилятора. Лопасти вентилятора на ступице могут быть расположены тремя различными способами: загнутыми вперед, загнутыми назад или радиально.[8]

Загнутые вперед

Лопасти бытового вентилятора с загнутыми вперед лопатками

Лопатки с загнутыми вперед загнутыми лопатками, 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.[18] Лопатки с загнутыми вперед загнутыми лопатками обеспечивают низкий уровень шума и относительно небольшой воздушный поток с большим увеличением статического давления.[19] Обычно они используются в фанкойлы.

Назад загнутые

Лопатки с загнутыми назад лопатками, как на рисунке 3 (b), изгибаются против направления вращения крыльчатки вентилятора. Меньшие воздуходувки могут иметь наклонный назад лезвия прямые, а не изогнутые. Воздуходувки большего размера с наклоном назад / изогнутыми лопастями имеют лопасти, обратная кривизна которых имитирует кривизну аэродинамического профиля, но обе конструкции обеспечивают хорошую эффективность работы при относительно экономичных конструктивных технологиях. Эти типы воздуходувок предназначены для обработки потоков газа с содержанием твердых частиц от низкого до среднего.[нужна цитата ]. Они могут быть легко оснащены защитой от износа, но некоторые изгибы лопастей могут быть склонны к накоплению твердых частиц.[нужна цитата ]. Колеса с загнутыми назад лопатками часто тяжелее соответствующих эквивалентов с загнутыми вперед лопатками, поскольку они работают с более высокими скоростями и требуют более прочной конструкции.[20]

Вентиляторы с назад загнутыми лопатками могут иметь широкий диапазон удельных скоростей, но чаще всего используются для приложений со средней удельной скоростью - при высоком давлении и среднем потоке, например в приточно-вытяжные установки.[нужна цитата ]

Вентиляторы с загнутыми назад лопатками гораздо более энергоэффективны, чем вентиляторы с радиальными лопастями, и поэтому для приложений с высокой мощностью могут быть подходящей альтернативой более дешевым радиальным лопастным вентиляторам.[20]

Прямая радиальная

Радиальные воздуходувки, как показано на рисунке 3 (c), имеют колеса, лопасти которых выходят прямо из центра ступицы. Радиальные лопаточные колеса часто используются для газовых потоков, содержащих твердые частицы, потому что они наименее чувствительны к твердым наростам на лопастях, но они часто характеризуются более высоким уровнем шума. Высокие скорости, малые объемы и высокое давление характерны для радиальных нагнетателей.[нужна цитата ], и часто используются в пылесосы, пневматические системы транспортировки материалов и аналогичные процессы.

Принцип работы

Центробежный вентилятор использует центробежную энергию, получаемую от вращения крыльчаток, для увеличения кинетической энергии воздуха / газов. Когда крыльчатки вращаются, частицы газа около крыльчатки отбрасываются от крыльчатки, а затем перемещаются в корпус вентилятора. В результате кинетическая энергия газа измеряется как давление из-за сопротивления системы, обеспечиваемого кожухом и воздуховодом. Затем газ направляется к выходу через выпускные каналы. После выпуска газа давление газа в средней части крыльчатки снижается. Газ из проушины рабочего колеса устремляется внутрь, чтобы это нормализовать. Этот цикл повторяется, и поэтому газ может передаваться непрерывно.

Таблица 1: Различия между вентиляторами и нагнетателями
ОборудованиеКоэффициент давленияПовышение давления (мм ЧАС
2О)
ПоклонникиДо 1.11136
ВоздуходувкиОт 1,1 до 1,21136-2066

Треугольник скорости

Основная статья: Треугольник скорости

Диаграмма, называемая треугольником скоростей, помогает нам определить геометрию потока на входе и выходе из лопасти. Чтобы нарисовать треугольник скорости в точке на лезвии, требуется минимальное количество данных. Некоторая составляющая скорости изменяется в разных точках лопасти из-за изменения направления потока. Следовательно, для данной лопасти возможно бесконечное количество треугольников скорости. Для описания потока с помощью всего двух треугольников скорости мы определяем средние значения скорости и их направление. Треугольник скорости любой турбомашины состоит из трех компонентов, как показано на рисунке:

Треугольник скорости для обращенного вперед отвала
  • U скорость лезвия
  • Vр Относительная скорость
  • V Абсолютная скорость

Эти скорости связаны треугольным законом сложения векторов:

Это относительно простое уравнение часто используется при построении диаграммы скоростей. Диаграмма скоростей показанных лопастей с передним и задним торцом построена с использованием этого закона. Угол α - это угол, образованный абсолютной скоростью с осевым направлением, а угол β - это угол, образованный лопаткой по отношению к осевому направлению.

Треугольник скорости для обращенного назад лезвия

Разница между вентиляторами и воздуходувками

Свойство, которое отличает центробежный вентилятор от воздуходувки, - это достижимая степень давления. Как правило, нагнетатель может создавать более высокий перепад давления. По Американское общество инженеров-механиков (ASME) конкретное соотношение - отношение давления нагнетания к давлению всасывания - используется для определения вентиляторов, нагнетателей и компрессоров. Вентиляторы имеют коэффициент до 1,11, нагнетатели от 1,11 до 1,20, а компрессоры - более 1,20.

Рейтинги

Значения, указанные в таблицах и кривых производительности центробежных вентиляторов, основаны на стандартном воздухе. SCFM. Производители вентиляторов определяют стандартный воздух как чистый, сухой воздух с плотность 0,075 фунта массы на кубический фут (1,2 кг / м³), с барометрическое давление на уровне моря 29,92 дюйма ртутного столба (101,325 кПа) и температура 70 ° F (21 ° C). Выбор центробежного вентилятора для работы в условиях, отличных от стандартного воздуха, требует регулировки как статического давления, так и мощность.

При превышении нормы (уровень моря ) и температура выше стандартной, плотность воздуха ниже стандартной плотности. Поправки на плотность воздуха должны учитывать центробежные вентиляторы, предназначенные для непрерывной работы при более высоких температурах. Центробежный вентилятор вытесняет постоянный объем воздуха в данной системе независимо от плотности воздуха.

Если центробежный вентилятор рассчитан на заданные кубические футы в минуту и ​​статическое давление в условиях, отличных от стандартных, необходимо применить поправочный коэффициент плотности воздуха, чтобы выбрать вентилятор надлежащего размера, отвечающий новым условиям. Поскольку воздух при температуре 200 ° F (93 ° C) весит всего 80% от воздуха при температуре 70 ° F (21 ° C), центробежный вентилятор создает меньшее давление и потребляет меньше энергии. Чтобы получить фактическое давление, требуемое при 200 ° F (93 ° C), разработчик 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 93 ° C (200 ° F), проектировщик должен разделить мощность при стандартных условиях на поправочный коэффициент плотности воздуха.

Ассоциация воздушного движения и контроля (AMCA)

В таблицах производительности центробежных вентиляторов указаны обороты вентилятора и требования к мощности для заданных кубических футов в минуту и ​​статического давления при стандартной плотности воздуха. Если производительность центробежного вентилятора не соответствует стандартным условиям, производительность необходимо преобразовать в стандартные условия перед вводом в таблицы производительности. Центробежные вентиляторы рейтинга Ассоциация воздушного движения и контроля (AMCA) проходят испытания в лабораториях с испытательными установками, имитирующими установки, типичные для этого типа вентилятора. Обычно они проходят испытания и оцениваются как один из четырех стандартных типов установки, указанных в стандарте AMCA Standard 210.[21]

Стандарт AMCA 210 определяет унифицированные методы проведения лабораторных испытаний закрытых вентиляторов для определения скорости воздушного потока, давления, мощности и эффективности при заданной скорости вращения. Цель стандарта AMCA 210 состоит в том, чтобы определить точные процедуры и условия тестирования вентиляторов, чтобы оценки, предоставленные различными производителями, были на одной основе и их можно было сравнивать. По этой причине вентиляторы должны быть рассчитаны на стандартизованные кубические футы в минуту.

Убытки

Центробежные вентиляторы несут потери эффективности как в неподвижных, так и в движущихся частях, увеличивая потребляемую энергию, необходимую для заданного уровня производительности воздушного потока.

Вход крыльчатки

Поток на входе и его поворот из осевого направления в радиальное вызывают потери на входе. Трение и разделение потока вызывают потери в лопастях рабочего колеса, так как угол падения.[требуется дальнейшее объяснение ] Эти потери в лопастях рабочего колеса также включены в категорию.

Утечка

Утечка некоторого количества воздуха и возмущение в поле основного потока вызываются зазором, предусмотренным между вращающейся периферией рабочего колеса и кожухом на входе.

Крыльчатка

Диффузор и спираль

Трение и разделение потоков также вызывают потери в диффузор. Дальнейшие потери из-за аварии возникают, если устройство работает за пределами своих проектных условий. Поток из крыльчатки или диффузора расширяется в спираль, имеющий большее сечение, приводящее к образованию Эдди, что, в свою очередь, снижает напор. Потери на трение и разделение потока также возникают из-за спирального прохода.

Дисковое трение

Вязкий тащить на задней поверхности диска рабочего колеса вызывает потери на трение диска.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Электроэнергетическое оборудование: вентиляторы и нагнетатели. ЮНЕП. 2006. с. 21.
  2. ^ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Вашингтон, округ Колумбия, корпорация Resource Dynamics, Вена, штат Вирджиния. Повышение производительности вентиляторной системы (PDF). п. 21 год. Получено 29 февраля 2012.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  3. ^ Программа ООН по окружающей среде.«Вентиляторы и воздуходувки». 2006. с. 9. Цитата: «Центробежный нагнетатель и нагнетательный нагнетатель - два основных типа нагнетателей»
  4. ^ «Преимущества роторных нагнетателей прямого вытеснения по сравнению с центробежными нагнетателями».1996.
  5. ^ Хуан Лоэра, П.Е.«Обзор воздуходувных технологий». п. 10.
  6. ^ Джим Браун. «Великие дебаты: центробежный вентилятор против поршневого насоса» В архиве 2015-07-24 на Wayback Machine. 2008.
  7. ^ Vac2Go.«Что лучше: PD или комбинация вентиляторов?». 2013.
  8. ^ а б c d е Типы вентиляторов В архиве 24 января 2010 г. Wayback Machine (Агентство по охране окружающей среды США страница сайта)
  9. ^ Георгиус Агрикола с Гербертом Кларком Гувером и Лу Генри Гувером, пер., De Re Metallica (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Dover Publications, Inc., 1950), С. 203–207.
  10. ^ «Ранняя история комфортного отопления». achrnews.com.
  11. ^ Уолтер Б. Сноу (ноябрь 1898 г.) «Тяга механическая для паровых котлов». Журнал Кэссье, 15 (1): 48–59; см. стр. 48.
  12. ^ (Редакция) (март 1919 г.) «Воспоминания о Джоне Эриксоне», Машиностроение, 41 : 260–261; см. стр. 261.
  13. ^ История механического вентилятора В архиве 2009-10-20 на Wayback Machine (на русском)
  14. ^ Уоллес 1988, п. 45.
  15. ^ Тейлор, Фионн. "Уитвик Пейдж 1". www.healeyhero.co.uk.
  16. ^ «ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ». Архивировано из оригинал 17 марта 2012 г.. Получено 29 февраля 2012.
  17. ^ Хуан Лоэра, П.Е.«Обзор технологий нагнетателей и сравнение высокоскоростных турбонагнетателей».п. 24.
  18. ^ Bloch, Heinz P .; Соарес, Клэр, ред. (1998). Технологическое оборудование (2-е изд.). Бостон: Баттерворт-Хайнеманн. п.524. ISBN  0-7506-7081-9.
  19. ^ «Центробежные вентиляторы». ebm-papst. ebm-papst. Получено 17 декабря 2014.
  20. ^ а б «Ценность в воздухе: почему вентиляторы статического давления с загнутыми назад лопатками с прямым приводом» (PDF). Талса, Окей: AAON, Inc. стр. 11.
  21. ^ Стандарт ANSI / AMCA 210-99, «Лабораторные методы испытаний вентиляторов на предмет аэродинамических характеристик»