8.

VENTILÁTORY

Úvod   8.3
Axiální ventilátory   8.4
Radiální ventilátory   8.5
Energetická bilance ventilátoru   8.6
Provozní charakteristiky ventilátorů   8.7
Regulace ventilátorů   8.8
Odkazy   8.9
Přílohy (placený obsah)   8.11
VENTILÁTORY
8.2
Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie.
ISSN 1804-8293; www.transformacni-technologie.cz; turbomachinery.education
Copyright©Jiří Škorpík, 2022.
All rights reserved.
Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
8.3

Úvod

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 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; β2B [°] úhel střední čáry profilu na výstupu; NS [min-1] měrné otáčky; Q [m3·s-1] průtok stupněm/celým ventilátorem; Δps [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.

reklama
Návrhové programy lopatkových strojů – VIKLAN – výpočtové programy na míru
VENTILÁTORY
8.4

Ventilátor bývají velmi často konstruovány v provedení vírového stroje.

Axiální ventilátory

Statorovou řadu lopatek obsahují pouze větší ventilátory s požadavkem na zvýšení statického tlaku, viz Obrázek 2(vlevo). Místo statorové řady lopatek se používají i bezlopatkové difuzory.

2:
Příklady axiálních ventilátorů.
vlevo-malý axiální ventilátor (průměr 200 mm) ve skříni vyrobené ze slitiny hliníku, výrobce ebm-papst group [ebm-papst, 2009]; vpravo-axiální ventilátor s radiálním vstupem, s natáčivými rotorovými lopatkami (zkroucené lopatky) výrobce ZVVZ MACHINERY, a.s. [zvvz, 2022].

Předřazené lopatky

Ztráta nesprávným nátokovým úhlem

Pokud ventilátor obsahuje předřazené lopatky, pak se jedná o lopatky se symetrickým nezakřiveným profilem (tzv. základní profil) pro zajištění optimálního nátokového úhlu a tedy účinnosti, viz Obrázek 3. Ovládání předřazených lopatek je nejčastěji po obvodu ventilátoru, ale existují i možnosti umístit ovládaní v ose ventilátoru.

3:
Axiální přetlakový ventilátor s předřazenými lopatkami
Axiální přetlakový ventilátor s předřazenými lopatkami:   (a) rychlostní trojúhelník při jmenovitém průtoku, kdy jsou předřazené lopatky natočeny do axiálního směru; (b) rychlostní trojúhelník při sníženém průtoku a natočení lopatek tak, aby byl dodržen optimální nátokový úhel a ztráta nesprávným nátokovým úhlem co nejmenší – úhel β1 zůstává přibližně konstantní. 1-rotorové lopatky; 2-statorové lopatky; 3-bezlopatkový difuzor; 4-jádro difuzoru; 5-předřazené lopatky; 6-hnací hřídel. U [m·s-1] obvodová rychlost; V [m·s-1] absolutní rychlost; W [m·s-1] realtivní rychlost; α1 [°] úhel absolutní rychlosti na vstupu do rotoru; β1 [°] úhel relativní rychlosti na vstupu do rotoru při nátáčení rotorových lopatek; Index 1 označuje stav před rotorem, index 2 za rotorem, index a axiální směr.
8.5

Rovnotlakový ventilátor

Difuzorová profilová mříž

Prohnutí střední čáry profilu

Ztráta odtržením proudění od profilu

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 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
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

Stupeň reakce

Radiální stupně 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 βB2=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.

VENTILÁTORY
8.6

čistě radiálního výstupu βB2=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.

Lopatky

Lopatky radiálních ventilátorů nejsou obvykle profilované, pouze mají zaoblenou nátokovou i odtokovou hranou, protože profilový tvar lopatek by měl v těchto případech jen malé přínosy. Lopatky jsou k disku přinýtované nebo přivařené, případně je celé kolo jako odlitek.

Diametrální ventilátor

Oběžná kola s dopředu zahnutými lopatkami jsou používané u diametrálních ventilátorů, viz Obrázek 5. Pro diametrální ventilátory je typický velmi vysoký poměr šířky kola b2 k jeho průměru a saním na protilehlé straně skříně. Tedy sání není středem kola. Aby vzniklo na jedené straně kola centripetalní a druhé centrifugální proudění je nutné, aby na straně sání byl vyšší tlak než na straně výstupu. Toho lze dosáhnou speciálním tvarem skříně s kolenem, kde na straně sání je větší průtočný průřez než na straně výstupu, jak je nakresleno na přiloženém obrázku. Nerovnovážné tlakové pole po obvodu oběžného kola lze také dosáhnout vhodně vloženým vnitřním tělesem, viz [Čermák, s. 134].

5:
Síly působící na lopatky rotoru radiálního ventilátoru.
Jedná se o čistě radiální přetlakový stupeň s radiálními lopatkami.

Energetická bilance ventilátoru

Celkový tlak

Vnitřní práce

Ventilátory jsou stroje, které zajišťují nucené proudění plynů (překonání tlakových ztrát) s malým zvýšením tlaku. Při výpočtu ventilátorů se často zavádí předpoklad nestlačitelného proudění ρ≈konst., t≈konst. Práce dodávaná proudícímu plynu se transformuje na tlakovou a kinetickou energii, změna potenciální energie ve ventilátoru je nevýznamná. Protože ne vždy je nutné zvýšení tlaku, ale zvýšení kinetické energie, je hlavním parametrem ventilátoru zvyšení celkové tlaku pracovního plynu Δps. Vzorec pro zvýšení celkového tlaku lze odvodit z Bernoulliho rovnice, viz Vzorec 6.

8.7
6:
Vnitřní práce ventilátoru.
Lw [J·kg-1] vnitřní ztráty při průchodu ventilátorem; wi [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 ηi se vychází z toho, že ideální vnitřní práce ventilátoru wid je rovna zvýšení celkové tlakové energie ve ventilátoru, respektive zvýšení celkové energie pracovní tekutiny ve ventilátoru. Odtud lze získat velmi 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; Pi [W] vnitřní příkon ventilátoru; Q [m3·s-1] průtok ventilátorem; ηi [1] vnitřní účinnost ventilátoru.

Provozní charakteristiky ventilátorů

Provozní charakteristiky ventilátorů jsou založeny na stejných principech jako provozní charakteristiky turbočerpadel, protože se jedná také o hydraulické pracovní stroje. Hlavní rozdíl je v tom, že až na výjimky se provozní charakteristiky ventilátorů uvádí jako závislost zvýšení celkového tlaku na průtoku Δps-Q

Δps-Q charaketristika

Hustota

Eulerova práce

Charakteristika ventilátoru se počítá nebo měří pro konkrétní pracovní plyn a jeho teplotu. Na rozdíl od čerpadel změna teploty významně změní hustotu a tedy i provozní charakteristiku čerpadla, a to tak, že při snížené hustotě pracovního plynu a při stejném průtoku je celkové zvýšení tlaku Δps 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 wE, respektive vnitřní práce ventilátoru wi. Provozní charakteristiku ventilátorů a čerpadel lze přepočítat pro změnu hustoty podle jednoduchého Vzorce 8. Více o této problematice v [Bleier, s. 5.9].

8:
Vliv změny hustoty pracovního plynu na charakteristiku ventilátoru (pro n=konst.) a rovnice pro přibližný přepočet
Změny charakteristiky ventilátoru při změně hustoty pracovního plynu:   Index n označuje parametry při jmenovitém stavu (nominal state). Rovnice je odvozena při vynechání vlivu ztrát a pro konstantní otáčky v Příloze 3.
VENTILÁTORY
8.8

ventilátoru wi. Provozní charakteristiku ventilátorů a čerpadel lze přepočítat pro změnu hustoty podle jednoduchého Vzorce 8. Více o této problematice v [Bleier, s. 5.9].

Tunelový ventilátor

K velkým změnám hustot dochází především u spalinových a tunelových ventilátorů ventilátorů, kde může být rozdíl teplot při práci za studena a za tepla i několik set stupňů celsia. V takovém případě dochází ke změně hustoty pracovního plynu o několik desítek procent.

Regulace ventilátorů

Parametry ventilátorů lze regulovat škrcením na sání nebo výtlaku, otáčkami nebo pomocí nátačení lopatek.

 

Netěsnost

Pracovní bod

Nejjednoduší a nejrozšířenější způsob regulace ventilátorů je regulace škrcením. Škrtící orgán může být na výtlaku i sání – je nutné přihlédnout k vlivu netěsnosti škrtící klapky, na saní hrozí nasátí okolního vzduchu přes netěsnosti, a na výtlaku naopak únik pracovního plynu do okolí ventilátoru. Nevýhodou regulace škrcením je pracovní bod ventilátoru se přesouvá mimo oblast maximální účinnosti ventilátoru, viz Obrázek 9. Škrtící orgán navíc nemusí být součástí ventilátoru, ale může být součástí potrubního systému, ve kterém ventilátor pracuje, potom zůstává charakteristika ventilátoru stejná a přizpůsobujeme charakteristiku potrubního systému.

9:
Regulace ventilátoru škrcením.
(a), (b), (c) změna charakteristiky přivíráním škrtící klapky ventilátoru, přičemž stav (a) odpovídá plně otvřené škrtící klapce, stavy (b, c) přivřené. OP-pracovní bod ventilátoru (operating point); SS-labilní oblast ventilátoru (system surge); S-charakteristika potrubního systému [Škorpík, 2021].
 

Rovnice pro přepočet charakteristiky ventilátoru

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 (Vzorce 10), které mohou mít podstatný vliv na jeho životnost a zahřívání během provozu. Více informací o této problematice např. v [Bleier, s. 5.1].

8.9

mít podstatný vliv na jeho životnost a zahřívání během provozu. Více informací o této problematice např. v [Bleier, s. 5.1].

10:
Regulace ventilátoru změnou otáček a rovnice pro přibližný přepočet jeho charakteristiky
Změny charakteristiky ventilátoru při změně otáček: (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 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.

Odkazy

ŠKORPÍK, Jiří, 2021, Využití energie vodního spádu, Transformační technologie, Brno, [online], ISSN 1804-8293. Dostupné z https://transformacni-technologie.cz/38.html.
BLEIER, Frank, 1997, Fan handbook, selection, aplication, and design, The McGraw Hill companies, ISBN 0-07-005933-0.
ČERMÁK, Jan, HELLER, Václav, NOVOTNÝ, Slavomil, PITTER, Jaroslav, SEDLÁČEK, František, ŠAVRDA, Miloš, 1974, Ventilátory, SNTL-Nakladatelství technické literatury, n.p., Praha.
ebm-papst group, 2009, Axial fans, Version 07. Dostupné z http://www.ebmpapst.com.
NOVÝ, Richard, 2007, Ventilátory, České vysoké učení technické v Praze, Praha, ISBN 978-80-01-03758-4.
ZVVZ MACHINERY, a.s., 2022, Ventilátory. Dostupné z http://www.zvvz.cz.
VENTILÁTORY
8.10

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří, 2022, Ventilátory, Transformační technologie, Brno, [online], ISSN 1804-8293. Dostupné z https://turbomachinery.education/ventilatory.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE

Přílohy

Přílohy jsou placeným obsahem a lze je zakoupit ve formátu PDF společně s článkem zde:

Vzor příloh