Вентилятор — это приводимая в действие машина, которая создает воздушный поток. Вентилятор состоит из вращающихся лопастей или лопаток, обычно из дерева, пластика или металла, которые воздействуют на воздух. Вращающийся узел лопастей и ступицы известен как рабочее колесо , ротор или бегунок . Обычно он заключен в корпус или футляр какой-либо формы. [1] Это может направлять воздушный поток или повышать безопасность, предотвращая контакт предметов с лопастями вентилятора. Большинство вентиляторов работают от электродвигателей , но могут использоваться и другие источники энергии, включая гидравлические двигатели , ручные рукоятки и двигатели внутреннего сгорания .
Механически вентилятор может быть любой вращающейся лопастью или лопастями, используемыми для создания потоков воздуха . Вентиляторы создают потоки воздуха с большим объемом и низким давлением (хотя и выше, чем давление окружающей среды ), в отличие от компрессоров , которые создают высокое давление при сравнительно небольшом объеме. Лопасть вентилятора часто вращается под воздействием потока воздуха и жидкости, и устройства, которые используют это преимущество, такие как анемометры и ветряные турбины , часто имеют конструкцию, похожую на конструкцию вентилятора.
Типичные области применения включают климат-контроль и персональный тепловой комфорт (например, электрический настольный или напольный вентилятор), системы охлаждения двигателей транспортных средств (например, перед радиатором), системы охлаждения машин (например, внутри компьютеров и аудиоусилителей мощности ), вентиляцию, вытяжку дыма, веяние (например, отделение мякины от зерен злаков), удаление пыли (например, всасывание, как в пылесосе), сушку (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. Вместо этого они работают за счет испарительного охлаждения пота и повышенной конвекции тепла в окружающий воздух из-за потока воздуха от вентиляторов. Таким образом, вентиляторы могут стать менее эффективными в охлаждении тела, если окружающий воздух близок к температуре тела и содержит высокую влажность.
Punkah (веер) использовался в Индии примерно в 500 году до нашей эры. Это был ручной веер, сделанный из бамбуковых полосок или других растительных волокон, который можно было вращать или размахивать для перемещения воздуха. Во время британского правления это слово стало использоваться англо-индийцами для обозначения большого качающегося плоского веера, прикрепленного к потолку и тянущегося слугой, называемым punkawallah .
Для целей кондиционирования воздуха мастер и инженер династии Хань Дин Хуань (ок. 180 г. н. э.) изобрел вращающийся вентилятор с ручным управлением и семью колесами диаметром 3 м (10 футов); в VIII веке, во времена династии Тан (618–907), китайцы применяли гидравлическую энергию для вращения колес вентилятора для кондиционирования воздуха, в то время как вращающийся вентилятор стал еще более распространенным во времена династии Сун (960–1279). [2] [3]
В период Хэйан (794-1185) в Японии веера стали играть роль символа социального класса, а также механическую роль. Тэссен , японский веер, использовавшийся в феодальные времена, был опасным оружием, спрятанным на виду в форме обычного веера, оружием, которое использовали самураи , когда катаны были неидеальны.
В 17 веке эксперименты ученых, включая Отто фон Герике , Роберта Гука и Роберта Бойля , установили основные принципы вакуума и воздушного потока. Английский архитектор сэр Кристофер Рен применил раннюю систему вентиляции в здании парламента , которая использовала мехи для циркуляции воздуха. Конструкция Рена стала катализатором для гораздо более поздних усовершенствований и инноваций. Первый роторный вентилятор, используемый в Европе, был использован для вентиляции шахт в 16 веке, как проиллюстрировал Георг Агрикола (1494–1555). [4]
Джон Теофил Дезагюлье , британский инженер, продемонстрировал успешное использование системы вентиляторов для откачки застоявшегося воздуха из угольных шахт в 1727 году (вентиляция была необходима в 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 возвратно-поступательные воздушные насосы в шахтах на севере Англии, хотя оборудование было подвержено поломкам.
В 1849 году паровой вентилятор радиусом 6 м, разработанный Уильямом Брантоном , был введен в эксплуатацию на угольной шахте Джелли-Гер в Южном Уэльсе . Модель была представлена на Большой выставке 1851 года. Также в 1851 году шотландский врач Дэвид Босвелл Рид установил четыре паровых вентилятора на потолке больницы Святого Георгия в Ливерпуле , чтобы создаваемое вентиляторами давление заставляло входящий воздух подниматься вверх и проходить через вентиляционные отверстия в потолке. [6] [7] Усовершенствования в технологию внесли Джеймс Нейсмит , француз Теофиль Гибал и Дж. Р. Уоддл. [8]
Между 1882 и 1886 годами Шайлер Уилер изобрел вентилятор, работающий от электричества. [9] Он был коммерчески продан американской фирмой Crocker & Curtis electric motor company. В 1885 году настольный электрический вентилятор с прямым приводом был коммерчески доступен Stout, Meadowcraft & Co. в Нью-Йорке. [10]
В 1882 году Филипп Диль разработал первый в мире электрический потолочный вентилятор. В этот интенсивный период инноваций вентиляторы, работающие на спирте, масле или керосине, были распространены на рубеже 20-го века. В 1909 году японская компания KDK стала пионером в изобретении серийных электрических вентиляторов для домашнего использования. В 1920-х годах промышленные достижения позволили массово производить стальные вентиляторы разных форм, что снизило цены на вентиляторы и позволило большему количеству домовладельцев позволить себе их. В 1930-х годах Эмерсоном был разработан первый вентилятор в стиле ар-деко («Серебряный лебедь»). [11] К 1940-м годам индийская компания Crompton Greaves стала крупнейшим в мире производителем электрических потолочных вентиляторов, в основном для продажи в Индии, Азии и на Ближнем Востоке. К 1950-м годам настольные и напольные вентиляторы выпускались 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 отопления и охлаждения домов, потолочные вентиляторы в стиле рубежа веков снова стали популярными как декоративные и энергоэффективные.
В 1998 году Уильям Фэрбэнк и Уолтер К. Бойд изобрели потолочный вентилятор с высокой производительностью и низкой скоростью (HVLS) , разработанный для снижения потребления энергии 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 разделением между социальными классами. В Британии и Китае их изначально устанавливали только в зданиях парламента и в домах знати. В Древнем Египте (3150 г. до н. э.) слуги должны были обмахивать фараонов и важных деятелей.
В таких частях света, как Индия, где температура достигает более 100 °F (38 °C), напольные и электрические вентиляторы в корпусе необходимы в деловом мире для комфорта клиентов и эффективной рабочей среды. Вентиляторы стали работать на солнечных батареях, энергоэффективными и аккумуляторными в местах с ненадежными источниками энергии.
В Южной Корее вентиляторы играют роль в бабушкиной сказке . Многие пожилые граждане Южной Кореи верят в ненаучный и неподтвержденный миф о смерти вентилятора из-за чрезмерного использования электрического вентилятора; корейские электрические вентиляторы обычно выключаются через несколько часов, чтобы защитить вентилятор от смерти.
Типичные электрические вентиляторы потребляют от 50 до 100 Вт мощности, в то время как кондиционеры потребляют от 500 до 4000 Вт; вентиляторы потребляют меньше электроэнергии, но не охлаждают воздух, а просто обеспечивают испарительное охлаждение пота. Коммерческие вентиляторы громче кондиционеров и могут быть раздражающе громкими. По данным Комиссии по безопасности потребительских товаров США, зарегистрированные инциденты, связанные с 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 кондиционерами, в основном связаны с их падением со зданий.
Механические вращающиеся лопастные вентиляторы изготавливаются в широком диапазоне конструкций. Они используются на полу, столе, письменном столе или подвешиваются к потолку (потолочный вентилятор ) и могут быть встроены в окно, стену, крышу и т. д. Электронные системы, генерирующие значительное количество тепла, такие как компьютеры , включают вентиляторы. Такие приборы, как фены и обогреватели помещений, также используют вентиляторы. Они перемещают воздух в системах кондиционирования воздуха и в автомобильных двигателях. Вентиляторы, используемые для комфорта внутри помещения, создают охлаждение ветром за счет увеличения коэффициента теплопередачи , но не понижают температуру напрямую. Вентиляторы, используемые для охлаждения электрооборудования или в двигателях или других машинах, охлаждают оборудование напрямую, выбрасывая горячий воздух в более прохладную среду снаружи машины, так что более холодный воздух поступает внутрь. Для перемещения воздуха используются три основных типа вентиляторов: осевые , центробежные (также называемые радиальными ) и поперечно-поточные (также называемые тангенциальными ). Кодекс испытаний производительности 11 (PTC) Американского общества инженеров-механиков [14] устанавливает стандартные процедуры для проведения и отчетности испытаний вентиляторов, включая центробежные, осевые и смешанные потоки.
Осевые вентиляторы имеют лопасти, которые заставляют воздух двигаться параллельно валу, вокруг которого вращаются лопасти. Этот тип вентиляторов используется в самых разных областях: от небольших охлаждающих 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 под давлением до 800 Па . Специальные типы вентиляторов используются в качестве ступеней компрессора низкого давления в авиационных двигателях. Примерами осевых вентиляторов являются:
Часто называемый «беличьей клеткой» (из-за его общего сходства по внешнему виду с беговыми колесами для домашних грызунов) или «спиральным вентилятором», центробежный вентилятор имеет подвижный компонент (называемый крыльчаткой ), который состоит из центрального вала, вокруг которого расположен набор лопастей, образующих спираль , или ребер. Центробежные вентиляторы нагнетают воздух под прямым углом к впускному отверстию вентилятора и закручивают воздух наружу к выпускному отверстию (за счет отклонения и центробежной силы ). Крыльчатка вращается, заставляя воздух поступать в вентилятор около вала и перемещаться перпендикулярно от вала к отверстию в корпусе вентилятора в форме спирали. Центробежный вентилятор создает большее давление для заданного объема воздуха и используется там, где это желательно, например, в воздуходувках , фенах , надувных матрасах, надувных конструкциях , климат-контроле в вентиляционных установках и различных промышленных целях. Они, как правило, шумнее, чем сопоставимые осевые вентиляторы (хотя некоторые типы центробежных вентиляторов тише, например, в вентиляционных установках).
Поперечно -поточный или тангенциальный вентилятор, иногда называемый трубчатым вентилятором, был запатентован в 1893 году Полем Мортье [17] [18] и широко используется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), особенно в бесканальных сплит-кондиционерах. Вентилятор обычно длинный относительно своего диаметра, поэтому поток остается приблизительно двумерным вдали от концов. Поперечно-поточный вентилятор использует рабочее колесо с загнутыми вперед лопатками, помещенное в корпус, состоящий из задней стенки и вихревой стенки. В отличие от радиальных машин основной поток движется поперечно через рабочее колесо, дважды проходя лопатки.
Поток внутри поперечного вентилятора можно разбить на три отдельных области: область вихря около выхода вентилятора, называемую эксцентричным вихрем, область сквозного потока и область лопастей, расположенную прямо напротив. Как область вихря, так и область лопастей являются диссипативными, и в результате только часть крыльчатки передает полезную работу потоку. [19] Таким образом, поперечно-точный вентилятор, или поперечный вентилятор, является двухступенчатой машиной частичного впуска. Популярность поперечно-точного вентилятора в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха обусловлена его компактностью, формой, бесшумной работой и способностью обеспечивать высокий коэффициент давления. Фактически прямоугольный вентилятор с точки зрения геометрии впуска и выпуска, диаметр легко масштабируется для соответствия доступному пространству, а длина регулируется для соответствия требованиям к расходу для конкретного применения.
Обычные бытовые башенные вентиляторы также являются вентиляторами с поперечным потоком. [20] Большая часть ранних работ была сосредоточена на разработке вентилятора с поперечным потоком для условий как с высокой, так и с низкой скоростью потока и привела к многочисленным патентам. Основные вклады были сделаны Кестером, Илбергом и Садехом, Портером и Маркландом, а также Экком. [ когда? ] Одним из интересных явлений, характерных для вентилятора с поперечным потоком, является то, что при вращении лопастей изменяется локальный угол падения воздуха. Результатом является то, что в определенных положениях лопасти действуют как компрессоры (давление увеличивается), в то время как в других азимутальных положениях лопасти действуют как турбины (давление уменьшается).
Поскольку поток входит и выходит из импеллера радиально, вентилятор с поперечным потоком был изучен и прототипирован для потенциальных применений в самолетах. [21] Из-за двумерной природы потока вентилятор может быть интегрирован в крыло для использования как для создания тяги, так и для управления пограничным слоем. Конфигурация, которая использует вентилятор с поперечным потоком, расположенный на передней кромке крыла, является концепцией дизайна FanWing, первоначально разработанной около 1997 года и находящейся в разработке компанией с тем же названием. Эта конструкция создает подъемную силу, отклоняя след вниз из-за направления вращения вентилятора, вызывая большую силу Магнуса , похожую на вращающийся цилиндр передней кромки. Другая конфигурация, использующая вентилятор с поперечным потоком для управления тягой и потоком, является пропульсивным крылом , еще одним экспериментальным концептуальным прототипом, первоначально разработанным в 1990-х и 2000-х годах. В этой конструкции вентилятор с поперечным потоком размещается вблизи задней кромки толстого крыла и всасывает воздух с поверхности всасывания (верхней) крыла. При этом пропульсивное крыло практически не имеет срыва, даже при очень больших углах атаки, создавая очень большую подъемную силу. Однако концепции веерокрыла и пропульсивного крыла остаются экспериментальными и использовались только для беспилотных прототипов.
Поперечно-поточный вентилятор — это центробежный вентилятор, в котором воздух проходит прямо через вентилятор, а не под прямым углом. Ротор поперечно-поточного вентилятора закрыт для создания перепада давления. Поперечно-поточный вентилятор имеет две стенки снаружи рабочего колеса и толстую вихревую стенку внутри. Радиальный зазор уменьшается в направлении вращения рабочего колеса. Задняя стенка имеет профиль лог-спирали, в то время как вихревой стабилизатор представляет собой тонкую горизонтальную стенку с закругленным краем. [22] Результирующая разница давления позволяет воздуху проходить прямо через вентилятор, даже несмотря на то, что лопасти вентилятора противостоят потоку воздуха с одной стороны вращения. Поперечно-поточные вентиляторы обеспечивают поток воздуха по всей ширине вентилятора; однако они более шумные, чем обычные центробежные вентиляторы. Поперечно-поточные вентиляторы часто используются в воздуховодных кондиционерах , воздушных дверцах , в некоторых типах охладителей для ноутбуков , в автомобильных вентиляционных системах и 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, не имеющий открытых лопастей вентилятора или других видимых движущихся частей (если только они не дополнены другими функциями, такими как колебания и регулировка направления). [23] Относительно небольшое количество воздуха от вентилятора с лопастями высокого давления, который содержится внутри основания, а не открыт, вызывает более медленный поток большей воздушной массы через круглое или овальное отверстие через область низкого давления, созданную формой поверхности аэродинамического профиля ( эффект Коанда ). [23] [24] [25]
Воздушные завесы и воздушные двери также используют этот эффект, чтобы помочь сохранить теплый или холодный воздух в ином открытом пространстве, которое не имеет крышки или двери. Воздушные завесы обычно используются на открытых молочных, морозильных и овощных витринах, чтобы помочь сохранить охлажденный воздух внутри шкафа, используя ламинарный поток воздуха, циркулирующий через отверстие витрины. Воздушный поток обычно создается механическим вентилятором любого типа, как описано в этой статье, и скрыт в основании витрины. Линейные щелевые диффузоры HVAC также используют этот эффект, чтобы увеличить поток воздуха равномерно в помещениях по сравнению с регистрами, при этом снижая энергию, используемую вентилятором воздухообрабатывающего агрегата .
Вентиляторы могут быть установлены различными способами, в зависимости от применения. Они часто используются в свободных установках без какого-либо корпуса. Существуют также некоторые специализированные установки.
В транспортных средствах канальный вентилятор представляет собой метод движения, при котором вентилятор, пропеллер или ротор окружен аэродинамическим каналом или кожухом, который улучшает его производительность для создания аэродинамической тяги или подъемной силы для перемещения транспортного средства.
В системах вентиляции струйный вентилятор, также известный как импульсный или индукционный вентилятор, выбрасывает поток воздуха, который увлекает окружающий воздух для циркуляции окружающего воздуха. Система занимает меньше места, чем обычные вентиляционные каналы, и может значительно увеличить скорость притока свежего воздуха и вытеснения застоявшегося воздуха. [26]
Вентиляторы создают шум от быстрого потока воздуха вокруг лопастей и препятствий, вызывающих вихри, а также от двигателя. Шум вентилятора примерно пропорционален пятой степени скорости вентилятора; уменьшение скорости вдвое снижает шум примерно на 15 дБ . [27]
Воспринимаемая громкость шума вентилятора также зависит от распределения частот шума. Это зависит от формы и распределения движущихся частей, особенно лопастей, и неподвижных частей, в частности стоек. Как и в случае с протекторами шин , и аналогично принципу акустических диффузоров , нерегулярная форма и распределение могут сгладить спектр шума, делая звук менее раздражающим. [28] [29] [30]
Форма входного отверстия вентилятора также может влиять на уровень шума, создаваемого вентилятором. [31]
Оптимальная температура для использования вентилятора для охлаждения остается неопределенной. Хотя вентиляторы обычно используются для снижения температуры тела посредством испарительного охлаждения, существует точка, в которой конвекционный эффект движущегося воздуха может нейтрализовать это преимущество. Эта температура, при которой использование вентилятора может стать вредным, в настоящее время неизвестна. [32]
Организации здравоохранения предлагают различные рекомендации по использованию вентилятора при высоких температурах. Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) не рекомендуют использовать вентилятор при температуре выше 32,2 °C (90 °F), в то время как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует избегать использования вентилятора при температуре выше 40 °C (104 °F). [32]
Недавние исследования пролили больше света на этот вопрос, хотя их результаты несколько противоречивы. Одно исследование обнаружило ограниченную дополнительную пользу от использования вентилятора при температуре выше 35 °C (95 °F), в то время как другое исследование сообщило о 31% снижении сердечного стресса у пожилых людей, использующих вентиляторы при температуре 38 °C (100 °F). [32]
Автономные вентиляторы обычно приводятся в действие электродвигателем , часто присоединенным непосредственно к выходу двигателя, без шестерен или ремней. Двигатель либо скрыт в центральной ступице вентилятора, либо выступает за нее. Для больших промышленных вентиляторов обычно используются трехфазные асинхронные двигатели, которые могут быть размещены рядом с вентилятором и приводить его в движение через ремень и шкивы . Меньшие вентиляторы часто приводятся в действие двигателями переменного тока с экранированными полюсами или щеточными или бесщеточными двигателями постоянного тока . Вентиляторы с питанием от переменного тока обычно используют сетевое напряжение, в то время как вентиляторы с питанием от постоянного тока обычно используют низкое напряжение, как правило, 24 В, 12 В или 5 В.
Вентилятор часто подключается к машинам с вращающейся частью, а не приводится в действие отдельно. Это обычно наблюдается в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания , больших системах охлаждения, локомотивах и зерноочистительных машинах, где вентилятор подключается к приводному валу или через ремень и шкивы. Другая распространенная конфигурация — двухвальный двигатель, где один конец вала приводит в действие механизм, а на другом установлен вентилятор для охлаждения самого двигателя. Оконные кондиционеры обычно используют двухвальный вентилятор для управления отдельными вентиляторами для внутренних и внешних частей устройства.
Если электрическая энергия или вращающиеся части недоступны, вентиляторы могут приводиться в движение другими методами. Газы высокого давления, такие как пар, могут приводить в движение небольшую турбину , а жидкости высокого давления могут приводить в движение колесо Пельтона , и любой из них может обеспечить вращательный привод для вентилятора.
Крупные, медленно движущиеся источники энергии, такие как текущая река, также могут приводить в действие вентилятор с помощью водяного колеса и ряда понижающих передач или шкивов для увеличения скорости вращения до значения, необходимого для эффективной работы вентилятора.
Электрические вентиляторы, используемые для вентиляции, могут питаться от солнечных панелей вместо сетевого тока. Это привлекательный вариант, поскольку после покрытия капитальных затрат на солнечную панель получаемое электричество становится бесплатным. Если потребность в вентиляции больше всего в солнечную погоду, может подойти вентилятор на солнечной энергии.
Типичный пример использует отдельную солнечную панель мощностью 10 Вт , размером 12 дюймов × 12 дюймов (30 см × 30 см) и поставляется с соответствующими кронштейнами, кабелями и разъемами . Его можно использовать для вентиляции площади до 1250 квадратных футов (116 м 2 ) и он может перемещать воздух со скоростью до 800 кубических футов в минуту (400 л/с). Из-за широкой доступности 12-вольтовых бесщеточных электродвигателей постоянного тока и удобства подключения такого низкого напряжения такие вентиляторы обычно работают от 12 вольт .
Отдельная солнечная панель обычно устанавливается в месте, которое получает больше всего солнечного света, а затем подключается к вентилятору, установленному на расстоянии 25 футов (8 м). Другие стационарно установленные и небольшие переносные вентиляторы включают в себя встроенную (несъемную) солнечную панель.
Медиа, связанные с Fans (механические) на Wikimedia Commons
