Центробежный вентилятор — это механическое устройство для перемещения воздуха или других газов в направлении под углом к входящей жидкости. Центробежные вентиляторы часто содержат воздуховодный корпус для направления исходящего воздуха в определенном направлении или через радиатор ; такой вентилятор также называют нагнетателем , вентилятором-нагнетателем или вентилятором с короткозамкнутым ротором (потому что он похож на колесо хомяка ). Крошечные вентиляторы, используемые в компьютерах, иногда называют нагнетателями для печенья . Эти вентиляторы перемещают воздух от вращающегося входного отверстия вентилятора к выходному отверстию. Обычно они используются в воздуховодных приложениях для втягивания воздуха через воздуховод/теплообменник или проталкивания воздуха через аналогичные крыльчатки . [1] По сравнению со стандартными осевыми вентиляторами они могут обеспечивать аналогичное движение воздуха из меньшего пакета вентилятора и преодолевать более высокое сопротивление в воздушных потоках. [2]
Центробежные вентиляторы используют кинетическую энергию крыльчаток для перемещения воздушного потока, который в свою очередь движется против сопротивления, создаваемого воздуховодами, заслонками и другими компонентами. Центробежные вентиляторы перемещают воздух радиально, изменяя направление (обычно на 90°) воздушного потока. Они прочные, тихие, надежные и способны работать в широком диапазоне условий. [3]
Центробежные вентиляторы, как и осевые вентиляторы, являются устройствами 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, но фактическая масса протекающего воздуха будет меняться в зависимости от плотности воздуха. Изменения плотности могут быть вызваны изменениями температуры входящего воздуха и высоты над уровнем моря, что делает эти вентиляторы непригодными для применений, где требуется обеспечить постоянную массу воздуха. [4]
Центробежные вентиляторы не являются устройствами прямого вытеснения , и центробежные вентиляторы имеют определенные преимущества и недостатки по сравнению с воздуходувками прямого вытеснения: центробежные вентиляторы более эффективны, тогда как воздуходувки прямого вытеснения могут иметь меньшие капитальные затраты и способны достигать гораздо более высоких степеней сжатия. [5] [6] [7] [8] [9] Центробежные вентиляторы обычно сравнивают с осевыми вентиляторами для жилых, промышленных и коммерческих применений. Осевые вентиляторы обычно работают с большими объемами, работают при более низком статическом давлении и имеют более высокую эффективность. [10] Поэтому осевые вентиляторы обычно используются для перемещения воздуха большого объема, например, для вытяжки из склада или циркуляции воздуха в помещении, в то время как центробежные вентиляторы используются для перемещения воздуха в воздуховодах, таких как дома или типичная офисная среда.
Центробежный вентилятор имеет форму барабана, состоящего из ряда лопастей вентилятора, установленных вокруг ступицы. Как показано на анимированном рисунке, ступица вращается на приводном валу, установленном в подшипниках в корпусе вентилятора. Газ поступает со стороны колеса вентилятора , поворачивается на 90 градусов и ускоряется за счет центробежной силы , когда он протекает по лопастям вентилятора и выходит из корпуса вентилятора. [11]
Самое раннее упоминание о центробежных вентиляторах было в 1556 году Георгом Пауэром (лат. Georgius Agricola ) в его книге De Re Metallica , где он показывает, как такие вентиляторы использовались для вентиляции шахт. [12] После этого центробежные вентиляторы постепенно вышли из употребления. Только в первые десятилетия девятнадцатого 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. [13] В 1827 году Эдвин А. Стивенс из Бордентауна, штат Нью-Джерси, установил вентилятор для нагнетания воздуха в котлы парохода North America . [14] Аналогичным образом, в 1832 году шведско-американский инженер Джон Эрикссон использовал центробежный вентилятор в качестве нагнетателя на пароходе Corsair . [15] Центробежный вентилятор был изобретен русским военным инженером Александром Саблуковым в 1832 году и использовался как в легкой промышленности России (например, в производстве сахара), так и за рубежом. [16]
Одной из важнейших разработок для горнодобывающей промышленности был вентилятор Гибаля, запатентованный в Бельгии в 1862 году французским инженером Теофилем Гибалем. Вентилятор Гибаля имел спиральный корпус, окружавший лопасти вентилятора, а также гибкую заслонку для управления скоростью выхода, что делало его намного лучше предыдущих конструкций открытого вентилятора и открывало возможность добычи на больших глубинах. Такие вентиляторы широко использовались для вентиляции шахт по всей Британии. [17] [18]
Основными частями центробежного вентилятора являются:
Другие используемые компоненты могут включать подшипники , муфты , устройство блокировки рабочего колеса, корпус нагнетательного вентилятора, уплотнительные пластины вала и т. д. [19]
Привод вентилятора определяет скорость вращения колеса вентилятора (крыльчатки) и степень, в которой эта скорость может изменяться. Существует два основных типа приводов вентиляторов. [11]
Колесо вентилятора может быть напрямую связано с валом электродвигателя . Это означает, что скорость вращения колеса вентилятора идентична скорости вращения двигателя . Прямой привод является наиболее эффективной формой привода вентилятора, поскольку нет потерь при преобразовании скорости вращения двигателя в скорость вращения вентилятора.
Некоторые производители электроники выпускают центробежные вентиляторы с двигателями с внешним ротором (статор находится внутри ротора), а ротор непосредственно монтируется на крыльчатке вентилятора (рабочем колесе).
На валу двигателя и валу колеса вентилятора установлен набор шкивов , а ремень передает механическую энергию от двигателя к вентилятору.
Скорость вращения крыльчатки вентилятора зависит от соотношения диаметра шкива двигателя к диаметру шкива крыльчатки вентилятора. Скорости вращения крыльчатки вентилятора в вентиляторах с ременным приводом фиксированы, если только ремень(и) не проскальзывают. Проскальзывание ремня может снизить скорость вращения крыльчатки вентилятора на несколько сотен оборотов в минуту (RPM). [20] Ремни также вводят дополнительную деталь обслуживания
Подшипники являются важной частью вентилятора. Подшипники с кольцевым креплением используются для небольших вентиляторов, таких как компьютерные вентиляторы, в то время как в более крупных бытовых и коммерческих приложениях используются шариковые подшипники . В промышленных приложениях могут использоваться специализированные подшипники, такие как охлаждаемые водой подшипники скольжения для отвода горячих газов. [21]
Во многих турбонагнетателях используются либо воздушные , либо магнитные подшипники . [22]
Воздуходувки с магнитными подшипниками обеспечивают низкую передаваемую вибрацию, высокоскоростную левитацию, низкое энергопотребление, высокую надежность, работу без масла и устойчивость к загрязняющим частицам в воздушном потоке. [23]
Скорость вращения вентилятора для современных вентиляторов осуществляется с помощью частотно-регулируемых приводов , которые напрямую управляют скоростью двигателя, увеличивая и уменьшая скорость двигателя для различных потоков воздуха. Количество перемещаемого воздуха нелинейно зависит от скорости двигателя и должно быть индивидуально сбалансировано для каждой установки вентилятора. Обычно это делается во время установки подрядчиками по тестированию и балансировке, хотя некоторые современные системы напрямую контролируют поток воздуха с помощью приборов около выходного отверстия и могут использовать обратную связь для изменения скорости двигателя.
В старых вентиляторных установках использовались входные или выходные лопатки — металлические заслонки, которые можно было отрегулировать, открыв и закрыв на выходе вентилятора. Когда лопатки закрывались, они повышали давление и уменьшали поток воздуха от вентилятора. Это менее эффективно, чем VFD, поскольку VFD напрямую снижает потребление электроэнергии двигателем вентилятора, в то время как лопатки работали с постоянной скоростью двигателя.
Колесо вентилятора состоит из ступицы с прикрепленным к ней рядом лопастей вентилятора. Лопасти вентилятора на ступице могут быть расположены тремя различными способами: изогнутыми вперед, изогнутыми назад или радиально. [11]
Загнутые вперед лопасти, как на рисунке 3(a), изгибаются в направлении вращения колеса вентилятора. Они особенно чувствительны к частицам и обычно указываются только для приложений с чистым воздухом, таких как кондиционирование воздуха. [24] Загнутые вперед вентиляторы обычно используются в приложениях, где статическое давление слишком велико для осевого вентилятора с лопатками или требуется меньший размер центробежного вентилятора, но шумовые характеристики загнутого назад вентилятора являются разрушительными для пространства. Они способны обеспечивать более низкий поток воздуха с более высоким увеличением статического давления по сравнению с осевым вентилятором с лопатками. [25] Они обычно используются в фанкойлах . Они менее эффективны, чем вентиляторы с загнутыми назад лопатками. [26]
Лопасти, изогнутые назад, как на рисунке 3(b), изгибаются против направления вращения колеса вентилятора. Меньшие воздуходувки могут иметь наклоненные назад лопасти, которые прямые, а не изогнутые. Большие наклоненные назад/изогнутые воздуходувки имеют лопасти, обратная кривизна которых имитирует поперечное сечение аэродинамического профиля, но обе конструкции обеспечивают хорошую эффективность работы при относительно экономичных методах строительства. Эти типы воздуходувок предназначены для обработки газовых потоков с низкой и средней нагрузкой частиц [ требуется цитата ] . Они могут быть легко оснащены защитой от износа, но определенные изгибы лопастей могут быть склонны к накоплению твердых частиц. [ требуется цитата ] . Колеса, изогнутые назад, часто тяжелее соответствующих эквивалентов с изогнутыми вперед лопастями, поскольку они работают на более высоких скоростях и требуют более прочной конструкции. [27]
Вентиляторы с загнутыми назад лопатками могут иметь широкий диапазон удельных скоростей, но чаще всего используются для приложений со средней удельной скоростью — приложений с высоким давлением и средним расходом, например, в установках обработки воздуха . [ требуется ссылка ]
Вентиляторы с загнутыми назад лопатками более энергоэффективны, чем вентиляторы с радиальными лопастями и вентиляторы с загнутыми вперед лопатками, и поэтому для применений с высокой мощностью могут быть подходящей альтернативой более дешевым вентиляторам с радиальными лопастями. [27]
Радиальные воздуходувки, как на рисунке 3(c), имеют колеса, лопасти которых выходят прямо из центра ступицы. Радиальные лопастные колеса часто используются на потоках газа, содержащих твердые частицы, поскольку они наименее чувствительны к образованию твердых частиц на лопастях, но они часто характеризуются более высоким уровнем шума. Высокие скорости, низкие объемы и высокие давления являются обычными для радиальных воздуходувок [ необходима ссылка ] и часто используются в пылесосах , пневматических системах транспортировки материалов и аналогичных процессах.
Центробежный вентилятор использует центробежную силу, получаемую от вращения крыльчаток, для увеличения кинетической энергии воздуха/газов. Когда крыльчатки вращаются, частицы газа вблизи крыльчаток отбрасываются от крыльчаток, а затем перемещаются в корпус вентилятора. В результате кинетическая энергия газа измеряется как давление из-за сопротивления системы, оказываемого корпусом и воздуховодом. Затем газ направляется к выходу через выходные каналы. После отбрасывания газа давление газа в средней области крыльчаток уменьшается. Газ из отверстия крыльчатки устремляется внутрь, чтобы нормализовать это. Этот цикл повторяется, и поэтому газ может непрерывно передаваться.
Диаграмма, называемая треугольником скорости, помогает нам определить геометрию потока на входе и выходе лопатки. Для построения треугольника скорости в точке на лопатке требуется минимальное количество данных. Некоторая составляющая скорости изменяется в разных точках лопатки из-за изменений направления потока. Следовательно, для данной лопатки возможно бесконечное количество треугольников скорости. Чтобы описать поток с помощью только двух треугольников скорости, мы определяем средние значения скорости и их направление. Треугольник скорости любой турбомашины имеет три компонента, как показано:
Эти скорости связаны законом треугольника сложения векторов:
Это относительно простое уравнение часто используется при построении диаграммы скорости. Диаграмма скорости для показанных лопастей, обращенных вперед и назад, построена с использованием этого закона. Угол α — это угол, образованный абсолютной скоростью с осевым направлением, а угол β — это угол, образованный лопастью относительно осевого направления.
Свойство, которое отличает центробежный вентилятор от нагнетателя, — это степень сжатия, которую он может достичь. В общем, нагнетатель может создавать более высокую степень сжатия. Согласно Американскому обществу инженеров-механиков (ASME), удельное отношение — отношение давления нагнетания к давлению всасывания — используется для определения вентиляторов, нагнетателей и компрессоров. У вентиляторов удельное отношение составляет до 1,11, у нагнетателей — от 1,11 до 1,20, а у компрессоров — более 1,20. [ необходима цитата ] Обычно из-за более высоких давлений нагнетатели и компрессоры имеют гораздо более прочную конструкцию, чем вентиляторы.
Оценки, приведенные в таблицах и кривых производительности центробежных вентиляторов, основаны на стандартном воздухе SCFM . Производители вентиляторов определяют стандартный воздух как чистый, сухой воздух с плотностью 0,075 фунтов массы на кубический фут (1,2 кг/м 3 ), с барометрическим давлением на уровне моря 29,92 дюйма ртутного столба (101,325 кПа) и температурой 70 °F (21 °C). Выбор центробежного вентилятора для работы в условиях, отличных от стандартного воздуха, требует регулировки как статического давления, так и мощности .
На высоте выше стандартной ( уровень моря ) и при температуре выше стандартной плотность воздуха ниже стандартной. Поправки на плотность воздуха должны учитывать центробежные вентиляторы, которые предназначены для непрерывной работы при более высоких температурах. Центробежный вентилятор вытесняет постоянный объем воздуха в данной системе независимо от плотности воздуха.
Если для заданного CFM и статического давления при условиях, отличных от стандартных, указан центробежный вентилятор, необходимо применить поправочный коэффициент плотности воздуха, чтобы выбрать вентилятор подходящего размера для соответствия 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 требует меньше мощности. Чтобы получить фактическое давление, требуемое при температуре 200 °F (93 °C), проектировщик 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 температуре 200 °F (93 °C), проектировщик должен разделить мощность при стандартных условиях на поправочный коэффициент плотности воздуха.
Таблицы производительности центробежного вентилятора содержат требования к скорости вращения вентилятора и мощности для заданного CFM и статического давления при стандартной плотности воздуха. Если производительность центробежного вентилятора не соответствует стандартным условиям, производительность необходимо преобразовать в стандартные условия перед внесением в таблицы производительности. Центробежные вентиляторы, оцененные Ассоциацией по управлению и движению воздуха (AMCA), испытываются в лабораториях с использованием испытательных установок, которые имитируют установки, типичные для этого типа вентилятора. Обычно они испытываются и оцениваются как один из четырех стандартных типов установки, как указано в Стандарте AMCA 210. [28]
Стандарт AMCA 210 определяет единые методы проведения лабораторных испытаний корпусных вентиляторов для определения расхода воздуха, давления, мощности и эффективности при заданной скорости вращения. Целью стандарта AMCA 210 является определение точных процедур и условий испытаний вентиляторов, чтобы оценки, предоставляемые различными производителями, были на одной и той же основе и могли сравниваться. По этой причине вентиляторы должны оцениваться в стандартизированных SCFM.
Центробежные вентиляторы теряют эффективность как в неподвижных, так и в движущихся частях, что увеличивает потребление энергии, необходимое для заданного уровня производительности воздушного потока.
Поток на входе и его поворот из осевого в радиальное направление вызывают потери на входе. Трение и разделение потока вызывают потери на лопатках рабочего колеса, поскольку происходит изменение угла атаки . [ необходимо дополнительное объяснение ] Эти потери на лопатках рабочего колеса также включены в категорию.
Утечка некоторого количества воздуха и возмущение в основном поле потока возникают из-за зазора, образованного между вращающейся периферией рабочего колеса и корпусом на входе.
Трение и разделение потока также вызывают потери в диффузоре . Дополнительные потери из-за падения возникают, если устройство работает за пределами своих проектных условий. Поток от рабочего колеса или диффузора расширяется в улитке , которая имеет большее поперечное сечение, что приводит к образованию вихря , что в свою очередь снижает напор. Потери из-за трения и разделения потока также возникают из-за прохода улитки.
Вязкое сопротивление на задней поверхности диска рабочего колеса вызывает потери на трение диска.
В научно-фантастическом романе Уолтера Миллера «Песнь Лейбовицу » (1959) монахи ордена в постапокалиптическом 26-м веке хранят электрический чертеж «беличьей клетки» как священную реликвию, хотя и озадачены тем, как обнаружить «белку».
