VENTILÁTORY

Základní vlastnosti ventilátorů

Měrné otáčky

Respirační ventilátory

Spalinové ventilátory

Tunelové ventilátory

Nový, 2007

Ventilátory se vyrábí v širokém spektru provedení, viz rozdělení ventilátorů podle měrných otáček na Obrázku 1. To je dáno různorodostí aplikací a požadavků od jednoduchých větráků až po složité průmyslové ventilátory s natáčivými lopatkami. Obecně ventilátory zabezpečují proudění pracovního plynu, nejčastěji vzduchu, v prostředí bez požadavku na jeho stlačení, takže ve ventilátorech dochází jen k malému zvýšení celkových tlaků. Na druhou stranu pracovní prostředí může být velmi různorodé, od ventilátorů zajišťujících výměnu vzduchu v místnostech či oděvech (respirační ventilátory) po spalinové ventilátory ossávající spaliny o teplotách přesahujícíh 100 °C z kotlů. Speciální skupinou jsou tunelové ventilátory, které zajišťují přirozenou výměnu vzduchu v daném prostoru při standardní teplotě a při požáru musí zajistit i odsávání velmi horkých spalin z tohoto prostoru (například při haváriích v tunelech kdy teplota odsávaných spalin je i více jak 400 °C). Některé typy ventilátorů jsou určeny do agresivních prostředí s častým poškozením lopatek abrazí, korozí a nánosy.

1: Trend růstu měrných otáček ventilátoru jako funkce tvaru rotoru

(a) radiální vysokotlaký (dozadu zahnuté lopatky); (b) radiální středotlaký; (c) radiální středotlaký oboustranně sací; (d) oběžné kolo radiálního nízkotlaký ventilátoru s dopředu zahnutými lopatkami; (e) diagonální; (f) axiální rovnotlaký; (g) axiální přetlakový; (h) obvyklý tvar vzorce pro stanovení měrných otáček ventilátorů. b₂ [m] šířka rotoru na výstupu; β_B2 [°] úhel střední čáry profilu na výstupu; N_S [min^-1] měrné otáčky; Q [m³·s^-1] průtok stupněm/celým ventilátorem; Δp_s [Pa] změna celkového tlaku pracovního plynu při průtoku stupněm/celým ventilátorem (protože ventilátory bývají jednostupňové vztahují se často měrné otáčky na zvýšení celkového tlaku v celém ventilátoru); ρ [kg·m^-3] hustota pracovního plynu. Rozsah obvyklých hodnot měrných otáček pro jednotlivé tvary rotorů jsou uvedeny např. [Nový, 2007, s. 18]. Odvození vzorce je uvedeno v Příloze 1.

Vírový stroj

Ventilátor bývají velmi často konstruovány v provedení vírového stroje, tj. bez statorových lopatek.

Rovnotlakový ventilátor

Střední čára profilu

Odtržením proudění

Ventilátory s velmi malým stupněm reakce se používájí v případech, kdy jde o to zvýšit kinetickou energie plynu a nikoliv jeho tlak – v podstatě se jedná o rovnotlakové ventilátory. Rovnotlakové ventilátory mívají kratší lopatky v poměru k průměru oběžného kola, aby byl rozdíl ve stupni reakce mezi patou a špicí co nejmenší. Často jsou lopatky přímé. Na Obrázku 4 je typická konstrukce rovnotlakového ventilátoru ovšem s difuzorovou profilovou mříží. Tím se snižuje prohnutí střední čáry profilu lopatek a tedy i náchylnost na ztrátu odtržením mezní vrstvy od profilu. Zvyšující se průtočný průřez difuzorové lopatkové mříže je v tomto případě kompenzován větším patním poloměrem lopatky r₂, než je patní poloměr r₁ tak, aby na vstupu a výstupu byl průtočný průřez stále stejný.

4: Provedení lopatkové mříže rovnotlakového ventilátoru

a [m] šířka lopatkového kanálu; l [m] délka lopatky; r [m] poloměr. Index _h označuje patu lopatky (hub), index _t označuje špici lopatky (tip).

Lopatka

Nejednoduší lopatky axiálních ventilátorů jsou z plechu se zaoblenými hranami, ty složitější mají klasický obvykle málo zahnutý profil, takže lze vycházet ze základních profilů. Lopatky se k rotoru, který bývá prstencové konstrukce v jehož středu je pohon, přivařují, nýtují nebo šroubují.

Tlakový součinitel

Průtokový součinitel

Optimální hodnoty tlakového a průtokového součinitele axiálních stupňů jsou ψ_opt=0,4 a ϕ_opt=0,35 (podle definičního Vzorce 4a v článku Využití podobností lopatkových strojů při návrhu lopatkového stroje) při poměru r_h/r_t=0,6 (v případě rovnotlakového ventilátoru se jedná o poloměr r_h2) – údaje podle [Misárek et al., 1974, s. 75]. Aerodynamický výpočet lopatkové mříže ventilátoru je proveden v článku Aerodynamika profilových mříží .

Radiální ventilátory

Stupeň reakce

Radiální ventilátory bývají přetlakové se stupněm reakce kolem 0,5. Pouze nízkotlaké s dopředu zahnutými lopatkami (Obrázek 1d) jsou konstruovány s velmi nízkým stupněm reakce, viz úloha na výpočet stupně reakce v článku Základní rovnice lopatkových strojů.

Vnitřní práce

Celkový tlak

Práce dodávaná proudícímu plynu se transformuje na tlakovou a kinetickou energii. Hlavním parametrem ventilátoru je zvyšení celkového tlaku pracovního plynu Δp_s, což je veličina, která zohledňuje zvýšení tlaku i rychlosti. Vzorec pro zvýšení celkového tlaku lze odvodit z Bernoulliho rovnice, viz Vzorec 6.

6: Vnitřní práce ventilátoru

L_w [J·kg^-1] vnitřní ztráty při průchodu ventilátorem; w_i [J·kg^-1] vnitřní práce ventilátoru. Index _i označuje vstup, index _e označuje výstup. Rovnice je odvozena pro nevýznamný vliv změn potenciální energie a hustoty v Příloze 2.

Vnitřní účinnost

Vnitřní příkon

Při výpočtu vnitřní účinnosti η_i se vychází z toho, že ideální vnitřní práce ventilátoru w_id je rovna zvýšení celkové tlakové energie ve ventilátoru, protože vliv gravitačního zrychlení je nevýznamný. Odtud lze získat praktický vzorec pro stanovení potřebného vnitřního příkonu ventilátoru jako funkce objemového průtoku a vnitřní účinnosti, viz Vzorec 7.

7: Vnitřní účinnost a příkon ventilátoru

m [kg·s^-1] hmotnostní průtok ventilátorem; P_i [W] vnitřní příkon ventilátoru; Q [m³·s^-1] průtok ventilátorem; η_i [1] vnitřní účinnost ventilátoru.

Provozní charakteristiky ventilátorů

Ventilátory jsou hydraulické pracovní stroje jako turbočerpadla a proto jejich charakteristiky jsou založeny na stejných principech, viz článek Turbočerpadla. Hlavní rozdíl je v tom, že až na výjimky se provozní charakteristiky ventilátorů uvádí jako závislost zvýšení celkového tlaku na průtoku Δp_s-Q

Hustota

Eulerova práce

Charakteristika ventilátoru se počítá nebo měří pro konkrétní pracovní plyn a jeho teplotu. Při změně teploty se ale významně změní hustota a tedy i provozní charakteristiku ventilátoru, a to tak, že při snížené hustotě pracovního plynu a při stejném průtoku je zvýšení celkového tlaku Δp_s menší a naopak. Toto snížení je dáno tím, že při stejném objemovém průtoku Q a stejných otáčkách zůstává zachován i rychlostní trojúhelník a tedy i Eulerova práce ventilátoru w_E, respektive vnitřní práce ventilátoru w_i. Provozní charakteristiku ventilátorů a čerpadel lze přepočítat pro změnu hustoty podle jednoduchého Vzorce 8.

Regulace otáčkami

Provozní charakteristika

Regulace ventilátorů změnou otáček se velmi rozšiřuje díky snižovaní ceny frekvenčních měničů elektromotorů. Používá se v širokém výkonovém rozmezí podle potřeb dané aplikace. Změnu otáček lze docílit i použitím několika průměrů řemenic na hřídeli oběžného kola, které se mohou například sezóně přepojovat ručně. V obou případech je ale nutné, počítat s výraznými změnami příkonu motoru podle Rovnic 10 – tyto rovnice se v angličtině označují jako Affinity laws. Nicméně výkonové změny motoru mohou mít negatvní vliv na jeho životnost a zahřívání během provozu.

10: Regulace ventilátoru změnou otáček a rovnice pro přibližný přepočet jeho charakteristiky

(a), (b), (c) změna charakteristiky při změně otáček, přičemž (a) je charakteritika při jmenovitých otáčkách, charakteristika (b) je při otáčkách vyšších než jmenovitých a charakteristika (c) při otáčkách nižších než jmenovitých. Rovnice jsou odvozeny při vynechání vlivu změn velikosti ztrát a pro konstantní hustotu pracovního plynu v Příloze 4.

Natáčivé lopatky

Předřazené lopatky

Regulace natáčením lopatek se provádí u ventilátorů s vysokým příkonem, u kterých je problematická změna frekvence pohonu. Regulace se provádí natáčením předřazených statorových (Obrázek 11a), nebo v případě axiálních strojů i rotorových lopatek (Obrázek 11b). Mechanismus nátáčení lopatek je velký zásah do konstrukce stroje, který zvyšuje náklady na pořízení. Nákladnější je i řídící systém.