VENTILÁTORY

Základní vlastnosti ventilátorů

Měrné otáčky

Respirační ventilátory

Spalinové ventilátory

Tunelové ventilátory

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 osávající spaliny o teplotách přesahujícíh 100 °C z kotlů. Speciální skupinou jsou tunelové ventilátory, které zajišťují přirozenou výměnu vzduchu v daném prostoru při standradní 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 oběžného kola

(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 oběžného kola jsou uvedeny např. [Nový, 2007, s. 18]. Odvození vzorce je uvedeno v Příloze 1.

U větších ventilátorů bývá ve výtlaku odběr vzduchu pro chlazení elektromotoru ventilátoru.

Rovnotlakový ventilátor

Střední čára profilu

Odtržením proudění

Dosti častou podmínkou bývá pro axiální ventilátor co nejmenší stupeň reakce a to 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 prizmatické. 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

U axiálních ventilátorů se používají různé typy lopatek. Ty nejednoduší 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.

Radiální ventilátory

Radiální ventilátor

Stupeň reakce

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

Spirální hrdlo

Bezlopatkový difuzor

Radiální ventilátory bývají obvykle opatřeny spriálním hrdlem a bezlopatkovým difuzorem pro lepší regulaci, ale moho obsahovat i radiální statorové lopatky. Radiální ventilátory bez difuzoru, respektive spirální hrdla se používají v provedení čistě radiálního výstupu β_B2=90° a to proto, že takové lopatkování má nejmenší podíl mezi kinetickou energií obvodové složky rychlosti k práci ventilátoru. To znamená, že i podíl zmařené energie v obvodvém směru bude nejmenší. Takové ventilátory se například používají k chlazení elektromotorů.

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, respektive zvýšení celkové energie pracovní tekutiny ve ventilátoru. 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

Provozní charakteristika ventilátorů

Provozní charakteristiky ventilátorů jsou založeny na stejných principech jako provozní charakteristiky turbočerpadel, protože se jedná také o hydraulické pracovní stroje, 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 celkové zvýšení 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. Více o této problematice v [Bleier, s. 5.9].

8: Změny charakteristiky ventilátoru při změně hustoty pracovního plynu

Index _n označuje parametry při jmenovitém stavu (nominal state). Rovnice je odvozena při vynechání vlivu změny velikosti ztrát a pro konstantní otáčky v Příloze 3.

Provozní charakteristika

mít podstatný vliv na jeho životnost a zahřívání během provozu. Více informací o této problematice např. v [Bleier, s. 5.1]. Tyto rovnice se v angličtině označují jako Affinity laws.

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 11(a)), nebo v případě axiálních strojů i rotorových lopatek (Obrázek 11(b)). Mechanismus nátáčení lopatek je velký zásah do konstrukce stroje, který zvyšuje náklady na pořízení. Nákladnější je i řídící systém.

11: Regulace ventilátoru natáčením statorových nebo rotorových lopatek

(a) regulace natáčením předřazených lopatek (statorové lopatky jsou předřazeny v sání ventilátoru, viz také Obrázek 3(b)); (b) regulace natáčením rotorových lopatek.

reklama

Odkazy