.jpg/1280px-N7771@GVA;09.09.1995-engine_(6083468531).jpg)
Вентилятор – это приводная машина , используемая для создания потока воздуха. Вентилятор состоит из вращающихся лопаток или лопастей, обычно изготовленных из дерева, пластика или металла, которые воздействуют на воздух. Вращающийся узел лопастей и ступицы известен как рабочее колесо , ротор или рабочее колесо . Обычно он содержится в каком-либо корпусе или футляре. [1] Это может направить поток воздуха или повысить безопасность, предотвращая контакт предметов с лопастями вентилятора. Большинство вентиляторов приводятся в действие электродвигателями , но могут использоваться и другие источники энергии, в том числе гидравлические моторы , ручные рукоятки и двигатели внутреннего сгорания .
С механической точки зрения вентилятор может представлять собой любую вращающуюся лопасть или лопасти, используемые для создания потоков воздуха . Вентиляторы производят воздушные потоки большого объема и низкого давления (хотя и выше давления окружающей среды ), в отличие от компрессоров , которые создают высокое давление при сравнительно низком объеме. Лопасть вентилятора часто вращается под воздействием потока воздуха и жидкости, и устройства, использующие это, такие как анемометры и ветряные турбины , часто имеют конструкцию, аналогичную конструкции вентилятора.
Типичные области применения включают климат-контроль и индивидуальный тепловой комфорт (например, электрический настольный или напольный вентилятор), системы охлаждения двигателя транспортного средства (например, перед радиатором), системы охлаждения оборудования (например, внутри компьютеров и усилителей мощности звука ), вентиляцию, удаление дыма, веяние (например, отделение соломы от зерен злаков ), удаление пыли (например, всасывание, как в пылесосе), сушка (обычно в сочетании с источником тепла) и обеспечение тяги для огня. Некоторые вентиляторы могут косвенно использоваться для охлаждения в случае промышленных теплообменников.
Хотя вентиляторы эффективны для охлаждения людей, они не охлаждают воздух, а работают за счет испарительного охлаждения пота и увеличения конвекции тепла в окружающий воздух за счет воздушного потока от вентиляторов. Таким образом, вентиляторы могут стать менее эффективными при охлаждении тела, если окружающий воздух имеет температуру, близкую к температуре тела, и содержит высокую влажность.
Пунка ( веер ) использовался в Индии около 500 г. до н.э. Это был ручной вентилятор, сделанный из бамбуковых полосок или других растительных волокон, который можно было вращать или обдувать, чтобы перемещать воздух. Во время британского правления это слово стало использоваться англо-индийцами для обозначения большого качающегося плоского веера, прикрепленного к потолку и тянущегося слугой по имени панкавалла .
Для целей кондиционирования воздуха мастер и инженер династии Хань Дин Хуан (180 г. н.э.) изобрел роторный вентилятор с ручным управлением и семью колесами диаметром 3 м (10 футов); В VIII веке, во времена династии Тан (618–907), китайцы применили гидравлическую энергию для вращения колес вентилятора для кондиционирования воздуха, а вращающийся вентилятор стал еще более распространенным во времена династии Сун (960–1279). [2] [3]
В период Хэйан (794–1185) в Японии вееры адаптировались как к символам социального класса, так и к механической роли. Тэссен , японский веер, использовавшийся во времена феодализма , был опасным оружием, спрятанным на виду в форме обычного веера, оружием, которое использовали самураи , когда катаны не были идеальными.
В 17 веке эксперименты учёных, в том числе Отто фон Герике , Роберта Гука и Роберта Бойля , установили основные принципы вакуума и воздушного потока. Английский архитектор сэр Кристофер Рен применил в здании парламента первую систему вентиляции , в которой для циркуляции воздуха использовались сильфоны. Дизайн Рена стал катализатором для гораздо более поздних улучшений и инноваций. Первый вращающийся вентилятор, использованный в Европе, использовался для вентиляции шахт в 16 веке, как показано Георгом Агриколой (1494–1555). [4]
Джон Теофил Дезагульерс , британский инженер, продемонстрировал успешное использование системы вентиляторов для удаления застоявшегося воздуха из угольных шахт в 1727 году (вентиляция была особенно важна на угольных шахтах для предотвращения удушья) и вскоре после этого он установил аналогичный аппарат в парламенте. [5] Инженер-строитель Джон Смитон , а позже Джон Баддл установили поршневые воздушные насосы в шахтах на севере Англии, хотя оборудование могло выйти из строя.
В 1849 году на шахте Джелли Гаер в Южном Уэльсе был введен в эксплуатацию паровой вентилятор радиусом 6 метров, спроектированный Уильямом Брантоном . Модель была выставлена на Большой выставке 1851 года. Также в 1851 году Дэвид Босвелл Рид , шотландский врач, установил четыре вентилятора с паровым приводом в потолке больницы Святого Георгия в Ливерпуле , чтобы давление, создаваемое вентиляторами, заставляло входящие воздух вверх и через вентиляционные отверстия в потолке. [6] [7] Усовершенствования в технологии были сделаны Джеймсом Нэсмитом , французом Теофилем Гибалем и Дж. Р. Уоддлом. [8]
Между 1882 и 1886 годами Шайлер Уиллер изобрела вентилятор, работающий от электричества. [9] Его коммерчески продавала американская фирма Crocker & Curtis по производству электродвигателей. В 1885 году настольный электрический вентилятор с прямым приводом был коммерчески доступен компанией Stout, Meadowcraft & Co. в Нью-Йорке. [10]
В 1882 году Филип Диль разработал первый в мире электрический потолочный вентилятор. В этот интенсивный период инноваций на рубеже 20-го века вентиляторы, работающие на спирте, масле или керосине, были обычным явлением. В 1909 году японская компания KDK впервые изобрела электрические вентиляторы массового производства для домашнего использования. В 1920-х годах промышленный прогресс позволил массово производить стальные вентиляторы различной формы, что снизило цены на вентиляторы и позволило большему количеству домовладельцев позволить себе их. В 1930-х годах Эмерсон разработал первый веер в стиле ар-деко («Серебряный лебедь»). [11] К 1940-м годам индийская компания Crompton Greaves стала крупнейшим в мире производителем электрических потолочных вентиляторов, предназначенных главным образом для продажи в Индии, Азии и на Ближнем Востоке. К 1950-м годам настольные и напольные вентиляторы производились в ярких цветах и привлекали внимание.
Оконные и центральные кондиционеры в 1960-х годах заставили многие компании прекратить производство вентиляторов, [12] но в середине 1970-х годов, с ростом осведомленности о стоимости электроэнергии и количестве энергии, используемой для обогрева и охлаждения домов, ситуация изменилась. Потолочные вентиляторы в стиле прошлого века снова стали популярными как декоративные и энергоэффективные.
В 1998 году Уильям Фэрбенк и Уолтер К. Бойд изобрели высокообъемный низкоскоростной потолочный вентилятор (HVLS) , предназначенный для снижения энергопотребления за счет использования длинных лопастей вентилятора, вращающихся с низкой скоростью для перемещения относительно большого объема воздуха. [13]
До того, как вентиляторы с электроприводом стали широко доступны, их использование было связано с социальным разрывом между социальными классами. В Британии и Китае их изначально устанавливали только в зданиях парламента и в дворянских домах. В Древнем Египте (3150 г. до н.э.) слуги должны были обмахивать фараонов и важных деятелей.
В таких частях света, как Индия, где температура превышает 100 °F (38 °C), стоячие и электрические вентиляторы необходимы в деловом мире для обеспечения комфорта клиентов и эффективной рабочей среды. Вентиляторы стали работать на солнечных батареях, энергоэффективны и питаться от батарей в местах с ненадежными источниками энергии.
В Южной Корее фанаты играют роль в сказке старой жены . Многие пожилые граждане Южной Кореи верят в ненаучный и необоснованный миф о смерти вентилятора из-за чрезмерного использования электрического вентилятора; Корейские электрические вентиляторы обычно отключаются через несколько часов, чтобы защитить вентилятор от выхода из строя.
Типичные комнатные электрические вентиляторы потребляют от 50 до 100 Вт мощности, а кондиционеры - от 500 до 4000 Вт; вентиляторы потребляют меньше электроэнергии, но не охлаждают воздух, а просто обеспечивают испарительное охлаждение пота. Коммерческие вентиляторы громче, чем кондиционеры, и могут быть слишком громкими. По данным Комиссии по безопасности потребительских товаров США, зарегистрированные инциденты, связанные с коробчатыми вентиляторами, включают пожар (266 инцидентов), потенциальный пожар (29 инцидентов), поражение электрическим током (15), поражение электрическим током (4 инцидента) и опасность поражения электрическим током (2 инцидента). Травмы, связанные с установками переменного тока, в основном связаны с их падением со зданий.
Механические вентиляторы с вращающимися лопастями изготавливаются в широком диапазоне конструкций. Их устанавливают на полу, столе, столе или подвешивают к потолку (потолочный вентилятор) и можно встраивать в окно , стену, крышу и т. д. Электронные системы, выделяющие значительное количество тепла, такие как компьютеры, оснащены вентиляторами. В таких приборах, как фены и обогреватели, также используются вентиляторы. Они перемещают воздух в системах кондиционирования и автомобильных двигателях. Вентиляторы, используемые для обеспечения комфорта внутри помещения, создают охлаждение ветром за счет увеличения коэффициента теплопередачи , но не снижают температуру напрямую. Вентиляторы, используемые для охлаждения электрооборудования, двигателей или других машин, охлаждают оборудование напрямую, отводя горячий воздух в более прохладную среду за пределами машины, так что более холодный воздух поступает внутрь. Существует три основных типа вентиляторов, используемых для перемещения воздуха: осевые и осевые . центробежный (также называемый радиальным ) и поперечный поток (также называемый тангенциальным ). Кодекс 11 испытаний производительности Американского общества инженеров-механиков (PTC) [14] обеспечивает стандартные процедуры проведения и составления отчетов об испытаниях вентиляторов, в том числе с центробежными, осевыми и смешанными потоками.
Осевые вентиляторы имеют лопасти, которые заставляют воздух двигаться параллельно валу, вокруг которого вращаются лопасти. Вентиляторы этого типа используются в самых разных целях: от небольших вентиляторов для электроники до гигантских вентиляторов, используемых в градирнях . Осевые вентиляторы применяются в системах кондиционирования воздуха и промышленных процессах. Стандартные осевые вентиляторы имеют диаметры 300–400 мм или 1800–2000 мм и работают при давлении до 800 Па . Специальные типы вентиляторов используются в качестве ступеней компрессора низкого давления в авиационных двигателях. Примеры осевых вентиляторов:
Центробежный вентилятор , который часто называют «беличьей клеткой» (из-за его общего внешнего вида с колесами для упражнений для домашних грызунов) или «спиральным вентилятором», имеет движущийся компонент (называемый крыльчаткой ), который состоит из центрального вала, вокруг которого установлен расположены лопасти, образующие спираль или ребра. Центробежные вентиляторы нагнетают воздух под прямым углом к впускному отверстию вентилятора и раскручивают его наружу к выпускному отверстию (за счет отклонения и центробежной силы ). Крыльчатка вращается, в результате чего воздух попадает в вентилятор рядом с валом и движется перпендикулярно от вала к отверстию в спиралевидном корпусе вентилятора. Центробежный вентилятор создает большее давление для заданного объема воздуха и используется там, где это желательно, например, в воздуходувках , сушилках , надувных матрасах, надувных конструкциях , климат-контроле в вентиляционных установках и в различных промышленных целях. Обычно они более шумные, чем сопоставимые осевые вентиляторы (хотя некоторые типы центробежных вентиляторов тише, например, в вентиляционных установках).
Поперечный или тангенциальный вентилятор, иногда известный как трубчатый вентилятор, был запатентован в 1893 году Полем Мортье [17] [18] и широко используется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), особенно в системах бесканального разделения воздуха . кондиционеры. Вентилятор обычно длиннее своего диаметра, поэтому поток остается примерно двумерным вдали от концов. В поперечноточном вентиляторе используется рабочее колесо с загнутыми вперед лопатками, размещенное в корпусе, состоящем из задней стенки и вихревой стенки. В отличие от радиальных машин, основной поток движется поперечно рабочему колесу, дважды проходя через лопатки.
Поток внутри вентилятора с поперечным потоком можно разделить на три отдельные области: область вихря рядом с выпуском вентилятора, называемую эксцентрическим вихрем, область сквозного потока и область лопастей, расположенную прямо напротив. И вихревая, и лопастная области являются диссипативными, и в результате только часть рабочего колеса передает полезную работу потоку. [19] Таким образом, поперечный вентилятор, или поперечный вентилятор, представляет собой двухступенчатую машину с частичным впуском. Популярность поперечноточного вентилятора в системах отопления, вентиляции и кондиционирования обусловлена его компактностью, формой, бесшумной работой и способностью обеспечивать высокий коэффициент давления. Фактически это прямоугольный вентилятор с точки зрения геометрии входного и выходного отверстия, диаметр легко масштабируется в соответствии с доступным пространством, а длина регулируется в соответствии с требованиями к скорости потока для конкретного применения.
Обычные бытовые башенные вентиляторы также являются вентиляторами с перекрестным потоком. [20] Большая часть ранних работ была сосредоточена на разработке вентилятора с поперечным потоком как для условий с высокой, так и с низкой скоростью потока, что привело к многочисленным патентам. Ключевой вклад внесли Костер, Ильберг и Саде, Портер и Маркланд, а также Эк. [ когда? ] Одним интересным явлением, характерным для вентилятора с поперечным потоком, является то, что при вращении лопастей изменяется локальный угол падения воздуха. В результате в определенных положениях лопатки действуют как компрессоры (повышение давления), а в других азимутальных положениях лопатки действуют как турбины (понижение давления).
Поскольку поток как входит, так и выходит из рабочего колеса радиально, поперечноточный вентилятор был изучен и сконструирован для потенциального применения в самолетах. [21] Благодаря двумерной природе потока вентилятор может быть интегрирован в крыло для использования как для создания тяги, так и для управления пограничным слоем. Конфигурация, в которой используется поперечный вентилятор, расположенный на передней кромке крыла, представляет собой концепцию дизайна FanWing, первоначально разработанную примерно в 1997 году и находящуюся в стадии разработки одноименной компанией. Эта конструкция создает подъемную силу за счет отклонения следа вниз из-за направления вращения вентилятора, вызывая большую силу Магнуса , аналогичную вращающемуся переднему цилиндру. Другой конфигурацией, в которой для управления тягой и потоком используется поперечноточный вентилятор, является двигательное крыло , еще один экспериментальный концептуальный прототип, первоначально разработанный в 1990-х и 2000-х годах. В этой конструкции поперечный вентилятор размещается возле задней кромки толстого крыла и всасывает воздух со всасывающей (верхней) поверхности крыла. Благодаря этому двигательное крыло практически не сваливается даже на чрезвычайно больших углах атаки, создавая очень большую подъемную силу. Однако концепции веерного и двигательного крыла остаются экспериментальными и использовались только для беспилотных прототипов.
Вентилятор с поперечным потоком — это центробежный вентилятор, в котором воздух проходит через вентилятор прямо, а не под прямым углом. Ротор поперечного вентилятора закрыт для создания перепада давления. Вентиляторы поперечного потока имеют заднюю стенку с двойной дугой окружности и толстой вихревой стенкой, уменьшающейся в радиальном зазоре. Зазор уменьшается в направлении вращения крыльчатки вентилятора. Задняя стенка имеет бревенчато-спиральный профиль, а вихревой стабилизатор представляет собой горизонтальную тонкую стенку с закругленным краем. [22] Возникающая в результате разница давлений позволяет воздуху проходить прямо через вентилятор, даже несмотря на то, что лопасти вентилятора противодействуют потоку воздуха с одной стороны вращения. Поперечные вентиляторы обеспечивают поток воздуха по всей ширине вентилятора; однако они более шумные, чем обычные центробежные вентиляторы. Вентиляторы с поперечным потоком часто используются в бесканальных кондиционерах , воздушных дверях , в некоторых типах охладителей для ноутбуков , в автомобильных системах вентиляции, а также для охлаждения в оборудовании среднего размера, таком как копировальные аппараты .
Вентиляторы Dyson Air Multiplier , представленные на потребительском рынке в 2009 году, популяризировали конструкцию Toshiba 1981 года , которая производит вентилятор без открытых лопастей или других видимых движущихся частей (если только он не дополнен другими функциями, такими как колебание и регулировка направления). [23] Относительно небольшое количество воздуха от лопастного вентилятора высокого давления, который находится внутри основания, а не снаружи, вызывает более медленный поток большей воздушной массы через круглое или овальное отверстие через отверстие низкого давления. площадь, создаваемая формой поверхности профиля ( эффект Коанды ). [23] [24] [25]
Воздушные завесы и воздушные двери также используют этот эффект, чтобы помочь сохранить теплый или прохладный воздух в открытой зоне, где нет крышки или двери. Воздушные завесы обычно используются на открытых витринах для молочных продуктов, морозильных камер и овощей, чтобы помочь удерживать охлажденный воздух внутри витрины с помощью ламинарного воздушного потока, циркулирующего через отверстие витрины. Воздушный поток обычно создается механическим вентилятором любого типа, описанным в этой статье, спрятанным в основании витрины. Линейные щелевые диффузоры HVAC также используют этот эффект для равномерного увеличения воздушного потока в помещениях по сравнению с регистрами , одновременно снижая энергию, потребляемую вентилятором вентиляционной установки .
Вентиляторы могут быть установлены различными способами в зависимости от применения. Они часто используются в свободной установке, без какого-либо корпуса. Есть и специализированные установки.
В транспортных средствах канальный вентилятор представляет собой метод движения, при котором вентилятор, пропеллер или ротор окружен аэродинамическим каналом или кожухом, который повышает его производительность и создает аэродинамическую тягу или подъемную силу для транспортировки транспортного средства.
В системах вентиляции струйный вентилятор, также известный как импульсный или индукционный вентилятор, выбрасывает поток воздуха, который увлекает за собой окружающий воздух для циркуляции окружающего воздуха. Система занимает меньше места, чем обычные вентиляционные каналы, и позволяет значительно увеличить скорость притока свежего воздуха и удаления застоявшегося воздуха. [26]
Вентиляторы создают шум из-за быстрого потока воздуха вокруг лопастей и препятствий, вызывающих завихрения, а также от двигателя. Шум вентилятора примерно пропорционален пятой степени скорости вращения вентилятора; Уменьшение скорости вдвое снижает шум примерно на 15 дБ . [27]
Воспринимаемая громкость шума вентилятора также зависит от частотного распределения шума. Это, в свою очередь, зависит от формы и расположения подвижных частей, особенно лопастей, и неподвижных частей, в частности стоек. Как и в случае с протекторами шин и по принципу акустических диффузоров , неправильная форма и распределение могут сгладить спектр шума, делая звук менее беспокоящим. [28] [29] [30]
Форма входного отверстия вентилятора также может влиять на уровень шума, создаваемого вентилятором. [31]
Автономные вентиляторы обычно приводятся в действие электродвигателем , часто подключаемым непосредственно к выходу двигателя, без шестерен или ремней. Двигатель либо спрятан в центральной ступице вентилятора, либо выступает за ней. Для больших промышленных вентиляторов обычно используются трехфазные асинхронные двигатели, которые можно размещать рядом с вентилятором и приводить его в движение посредством ремня и шкивов . Меньшие вентиляторы часто приводятся в действие двигателями переменного тока с экранированными полюсами , а также коллекторными или бесщеточными двигателями постоянного тока . Вентиляторы с питанием от сети переменного тока обычно используют сетевое напряжение, а вентиляторы с питанием от постоянного тока обычно используют низкое напряжение, обычно 24 В, 12 В или 5 В.
В машинах с вращающейся частью вентилятор часто подключается к ней, а не питается отдельно. Это обычно наблюдается в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания , больших системах охлаждения, локомотивах и веялках, где вентилятор соединен с приводным валом или через ремень и шкивы. Другой распространенной конфигурацией является двухвальный двигатель, в котором один конец вала приводит в движение механизм, а на другом установлен вентилятор для охлаждения самого двигателя. В оконных кондиционерах обычно используется двухвальный вентилятор для работы отдельных вентиляторов для внутренней и внешней частей устройства.
Если электроэнергия или вращающиеся части недоступны, вентиляторы могут приводиться в движение другими способами. Газы под высоким давлением, такие как пар, могут использоваться для привода небольшой турбины , а жидкости под высоким давлением могут использоваться для привода пельтонного колеса , которые могут обеспечить привод вращения вентилятора.
Большие, медленно движущиеся источники энергии, такие как текущая река, также могут приводить в действие вентилятор с помощью водяного колеса и ряда понижающих шестерен или шкивов, чтобы увеличить скорость вращения до уровня, необходимого для эффективной работы вентилятора.
Электрические вентиляторы, используемые для вентиляции, могут питаться от солнечных батарей , а не от сети. Это привлекательный вариант, поскольку после покрытия капитальных затрат на солнечную панель полученная электроэнергия становится бесплатной. Кроме того, электричество всегда доступно, когда светит солнце и нужно включить вентилятор. Во время отсутствия электроэнергии вентилятор на солнечной энергии управляет потоком воздуха и поддерживает состояние окружающей среды. В типичном примере используется отдельная солнечная панель мощностью 10 Вт и размерами 12 × 12 дюймов (30 × 30 см), которая поставляется с соответствующими кронштейнами, кабелями и разъемами . Его можно использовать для вентиляции помещений площадью до 1250 квадратных футов (116 м 2 ) и перемещать воздух со скоростью до 800 кубических футов в минуту (400 л/с). Из-за широкой доступности бесщеточных электродвигателей постоянного тока на 12 В и удобства подключения столь низкого напряжения такие вентиляторы обычно работают от напряжения 12 В.
Отдельную солнечную панель обычно устанавливают в месте, куда попадает больше всего солнечного света, а затем подключают к вентилятору, установленному на расстоянии 25 футов (8 м). Другие стационарные и небольшие портативные вентиляторы включают встроенную (несъемную) солнечную панель.
СМИ, связанные с вентиляторами (механическими) на Викискладе?
