Вентилятор зависимость от оборотов двигателя производительность

Поддержание заданной производительности вентилятора в сети

В. Г. Караджи, канд. техн. наук, директор НИЦ ООО «ИННОВЕНТ»

Ю. Г. Московко, заместитель директора НИЦ ООО «ИННОВЕНТ»

Вентилятор выбирается на заданную производительность по воздуху, которую он должен обеспечивать при работе в составе приточной или вытяжной установки, вентиляционной системы. Производительность задается проектировщиком.

Какими методами можно обеспечить заданный режим работы вентилятора по производительности? Какие проблемы возникают? На эти вопросы мы ответим в настоящей статье.

Основные методы обеспечения заданного режима работы вентилятора по производительности

Известны следующие основные методы вывода вентилятора на требуемый режим по производительности в составе вентиляционной сети: дросселирование (искусственное введение в сеть дополнительного аэродинамического сопротивления), использование перед вентилятором входного направляющего аппарата, применение шкивоременной передачи между электродвигателем и вентилятором, использование частотного привода.

Дросселирование позволяет только увеличивать аэродинамическое сопротивление сети. Поэтому вентилятор должен быть подобран с некоторым запасом давления, чтобы он исходно вышел на несколько бóльшую производительность, чем расчетная. Этот метод очень часто используется на практике, однако он может оказаться очень затратным по потерям мощности.

Входной направляющий аппарат, в случае радиальных вентиляторов, позволяет только понижать аэродинамическую характеристику вентилятора, и поэтому исходно вентилятор также должен быть подобран с некоторым запасом давления для регулирования.

В случае осевых вентиляторов входной направляющий аппарат позволяет не только понижать, но и повышать в некоторых пределах аэродинамическую характеристику вентилятора. Следовательно, возможно не только снижение, но и повышение производительности вентилятора в сети. Для этого, однако, потребуется соответствующий запас установочной мощности вентилятора.

В целом входной направляющий аппарат является более эффективным устройством регулирования положения рабочей точки вентилятора в сети.

Шкивоременная передача позволяет, в принципе, обеспечить требуемую производительность вентилятора в сети подбором соответствующего соотношения диаметров ведущего и ведомого шкивов, то есть подбирается частота вращения рабочего колеса. Проблема в том, что это трудоемкий процесс. Чтобы упростить эти проблемы, вместо шкивоременной передачи используется частотный привод, который решает те же задачи, но проще в применении и легко перестраивается на требуемую частоту вращения рабочего колеса. Надо помнить только, что повышение частоты вращения выше расчетной исходной требует запаса мощности электродвигателя, допустимости работы электродвигателя и рабочего колеса на необходимых повышенных частотах. Особенность этого метода состоит в том, что, по законам аэродинамического подобия, производительность вентилятора пропорциональна частоте вращения, а полное давление вентилятора и сопротивление сети пропорциональны квадрату частоты вращения. Таким образом, изменение частоты вращения рабочего колеса хотя и приводит к изменению производительности и давления вентилятора, но положение рабочей точки на безразмерной аэродинамической характеристике вентилятора при этом не меняется. Это означает, что если вы исходно подобрали вентилятор так, что рабочая точка находится вне зоны высоких значений КПД, то регулирование частоты вращения не приведет к изменению первоначально выбранного значения КПД. Иначе говоря, применение частотного привода не устраняет проблемы правильного выбора типоразмера вентилятора и его рабочей точки.

Возникающие проблемы

Перейдем к рассмотрению проблем.

1. Первые проблемы возникают при наладке вентиляционной системы.

Приточные (или вытяжные) установки в составе вентиляционной системы при наладке требуют настройки на режим заданной производительности. Это достаточно сложный процесс, поскольку любые изменения аэродинамических сопротивлений элементов системы приводят к перераспределению расходов воздуха в системе и изменению режима работы вентилятора приточной установки по производительности. Практически при установке режимов работы, например, раздающих воздух устройств, клапанов и т. п., будет меняться сопротивление сети и, соответственно, режим работы вентилятора и других раздающих устройств. Поэтому процесс наладки сети есть процесс последовательных наладок-приближений к требуемому режиму. Он требует достаточно высокого уровня подготовки наладчиков, специальных приборов и умения ими грамотно пользоваться, значительного времени на проведение измерений и наличия в системе воздуховодов мест, где можно надежно измерить производительность установки или какой-либо ее ветви.

2. В процессе эксплуатации приточной системы происходит постепенное засорение воздушного фильтра (такая же ситуация возможна и в вытяжной системе при наличии в ней фильтра), что приводит к увеличению его аэродинамического сопротивления и, соответственно, к снижению производительности вентилятора приточной установки, по сравнению с первоначальным расчетным (рис. 1). Изменение производительности будет, конечно, зависеть от крутизны аэродинамической характеристики вентилятора вблизи рабочей точки. На заданной производительности установка будет работать только первоначально, при чистом фильтре.

Читайте также:  Чем определяют стук в двигателе

Положение рабочей точки на характеристике вентилятора при трех вариантах сопротивления сети (отличаются потерями давления на фильтре)

В рамках этого пункта отметим также, что проектировщик не всегда в расчетах задает аэродинамическое сопротивление чистого фильтра. Мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда в задании сопротивление фильтра выбирается повышенное, с учетом частичного засорения, для того чтобы учесть дополнительное аэродинамическое сопротивление частично засоренного фильтра при выборе давления вентилятора. Например, аэродинамическое сопротивление чистого фильтра на расчетном режиме составляет 50 Па. В качестве предельного засорения фильтра рекомендуется, например, принимать 150 Па. Проектировщик принимает расчетное сопротивление фильтра 100–150 Па, чтобы обеспечить заданную производительность даже при засоренном фильтре. К чему это приводит?

Это приводит к тому, что вентилятор подбирается на более высокое давление, чем в случае чистого фильтра. Когда установка встроена в сеть и начинается наладка, воздушный фильтр еще чистый и имеет аэродинамическое сопротивление 50 Па. В процессе наладки вентиляционная система приводится к режиму требуемой производительности, как правило, путем введения в систему дополнительного аэродинамического сопротивления (поскольку вентилятор имеет запас давления на засорение фильтра) или снижением частоты вращения вентилятора с помощью частотного привода (если он используется в системе). А далее, в процессе эксплуатации вентиляционной системы аэродинамическое сопротивление фильтра будет возрастать и производительность вентилятора будет снижаться. Если частотный привод в системе есть, то возможно компенсировать потерю производительности, но надо знать, на сколько. Если же частотного привода в системе нет, то закладывать запас по давлению вентилятора практически бесполезно, поскольку вряд ли кто-либо будет периодически переналаживать систему.

3. Если аэродинамическое сопротивление вентиляционной системы в процессе работы меняется по каким-либо причинам (открываются окна или двери, открывается/закрывается часть приточных/вытяжных решеток), это также сопровождается изменением производительности вентилятора. Кроме того, например, режимы работы вентиляционной системы по производительности требуется менять по заданному графику в течение суток или по технологии.

Схема автоматического поддержания заданной производительности вентилятора

Из изложенного выше можно заключить, что если правильно выбрать вентилятор и укомплектовать его частотным приводом, то полезно было бы легко и эффективно управлять производительностью вентилятора и, соответственно, системы. В частности, поддерживать заданную проектом производительность.

Задача поддержания производительности не является новой. Некоторые зарубежные изготовители вентиляторов делают на входном коллекторе вентилятора дренажи для измерения разрежения и, соответственно, производительности вентилятора. Входной коллектор является очень подходящим устройством для измерения производительности, поскольку весь воздух проходит через вентилятор и в суженной части коллектора происходит ускорение потока и выравнивание профиля скоростей, что повышает точность результатов измерений. Коллектор должен быть оттарирован, то есть должна быть получена зависимость производительности через него от разрежения в нем. Такие зависимости приведены в каталогах ряда зарубежных производителей вентиляторов. На вентиляторах закладывают необходимые измерительные точки, и из корпуса выводят необходимые трубки. То есть понятно, где измерять производительность системы. Важно решить, как использовать эти данные для управления производительностью.

Для автоматического поддержания заданной производительности вентилятора по воздуху или для регулирования производительности по заданному алгоритму может быть использовано устройство, функциональная схема которого показана на рис. 2.

Схема автоматического поддержания заданной производительности вентилятора в составе вентиляционной системы:
1 – приемник статического давления на входном коллекторе радиального вентилятора;
2 – приемник статического давления в канале перед вентилятором;
3 – дифференциальный датчик давления;
4 – источник опорного сигнала давления (задатчик требуемого расхода воздуха);
5 – измерительный вольтметр (индикатор расхода воздуха);
6 – усилитель – формирователь разностного сигнала давления (сигнал ошибки расхода воздуха);
7 – электродвигатель вентилятора;
8 – ПИД-регулятор частоты вращения электродвигателя;
9 – регулируемый частотный привод

Схема работает следующим образом. Предварительно пользователь устанавливает на приборе заданную производительность вентилятора по воздуху. Этому соответствует формирование сигнала опорного давления на коллекторе, который в дальнейшем используется схемой сравнения. Разность давлений перед вентилятором и в измерительном коллекторе вентилятора подается на вход дифференциального датчика давления, на выходе которого вырабатывается сигнал электрического напряжения, пропорциональный измеренной разности давлений. Этот сигнал поступает на вход усилителя-формирователя и схему сравнения, где производится сравнение измеренного давления в коллекторе и заданного опорного сигнала (соответствующего требуемой производительности вентилятора). Сигнал ошибки расхода воздуха поступает на вход ПИД-регулятора, формируется там соответствующим образом и далее подается на управляющий вход частотного привода, связанного с электродвигателем вентилятора. Значение реальной производительности вентилятора отображается на цифровом индикаторе устройства.

Аналогичная схема используется, например, в многоквартирных зданиях для поддержания заданного давления в системе подачи воды; однако, в отличие от рассматриваемого случая, объектом регулирования является давление воды в системе. В частности, выпускаются частотные приводы с ПИД-регулятором, максимально адаптированные для решения таких задач регулирования. Однако система регулирования для замыкания требует усилий специалиста для дополнения необходимыми элементами и построения правильного алгоритма работы и контроля.

Некоторые производители начали выпуск полностью законченных устройств регулирования, для применения которых необходим только правильный выбор по параметрам частотного привода. Такое устройство может быть настроено на проектную производительность конкретного оборудования в условиях завода-изготовителя и позволяет поддерживать и контролировать заданную производительность при изменении сопротивления сети по тем или иным причинам. Например, в процессе наладки, при исходно неизвестном сопротивлении сети, вентилятор автоматически выйдет на режим заданной производительности (при физической реализуемости такого режима) и этот режим будет поддерживаться в процессе наладки сети.

При необходимости в условиях применения можно изменить заданную производительность вентилятора в допустимых для конкретного вентилятора пределах. Кроме того, в системе должна быть предусмотрена защита электродвигателя и защита от недопустимых режимов работы и несанкционированных действий. Устройство автоматического поддержания заданной производительности вентилятора по воздуху должно работать как полностью автономно, так и в составе системы управления вентиляционной установкой.

Источник

Вентиляторы систем охлаждения
Теоретический расчет величины воздушного потока и потребляемой мощности вентиляторов

О проблемах работы систем охлаждения наш журнал уже писал в статье «Антифриз». Мы продолжаем эту тему и рассмотрим проблемы расчета величины воздушного потока и потребляемой мощности вентиляторов систем охлаждения.

Немного теории

Все вентиляторы систем охлаждения мобильных машин относятся к классу «осевых», или «пропеллерных», т. е. вентиляторов, нагнетающих поток по направлению оси вращения лопастей. Этим они отличаются от «центробежных», которые изменяют направление потока на 90° и направляют его перпендикулярно оси вращения лопастей.

Теплообмен в радиаторах систем охлаждения

В основе расчетов систем охлаждения лежит формула теплопередачи

где ΔQ – количество тепла, передаваемое телу;
m – масса тела;
ΔT – разница температур;
C – удельная теплоемкость.

Из приведенной формулы можно сделать важные выводы. Если ΔQ и С – величины постоянные, то чем больше ΔT , тем меньше m. И еще: количество тепла ΔQ, которое может быть передано от одного тела другому, прямо пропорционально разнице температур этих двух тел ΔT. Относительно теплообмена в радиаторе системы охлаждения это означает: чем больше разница температур охлаждающей жидкости и окружающего воздуха ΔT (Tж–Tв), тем меньший поток воздуха F, кг/с, требуется для охлаждения. Эта зависимость представлена на рис. 1. Из графика видно: когда температура окружающего воздуха приближается к температуре охлаждающей жидкости, т. е. ΔT уменьшается почти до нуля, требуемый поток воздуха стремительно увеличивается.

Этот и приведенные ниже графики построены на основе реальных испытаний.

Энергия, необходимая для создания воздушного потока заданной величины

Теперь рассмотрим зависимость энергопотребления привода вентилятора от величины воздушного потока и его скорости.

Как известно из классической механики, количество энергии, необходимой для приведения тела в движение, пропорционально скорости тела в квадрате:

Применительно к системе охлаждения из этого уравнения следует: чтобы увеличить поток воздуха, проходящий через радиатор, необходимо увеличить скорость потока, если эффективная площадь радиатора остается неизменной.

Отношение величины воздушного потока и энергии, необходимой для создания этого потока, выражается «законом вентилятора»:

где Е1 – энергия, затрачиваемая для создания существующего воздушного потока;
Е2 – энергия, необходимая для создания будущего воздушного потока;
F1 – величина существующего воздушного потока;
F2 – величина необходимого воздушного потока.

Из этого уравнения можно сделать важный вывод: энергия, необходимая для увеличения воздушного потока, пропорциональна отношению новой и старой величин потока в третьей степени. То есть, чтобы увеличить поток воздуха через радиатор в 2 раза, надо увеличить количество энергии в 8 раз (даже без учета возрастания аэродинамического сопротивления радиатора).

На рис. 2 изображена относительная зависимость между мощностью, потребляемой вентилятором, и величиной воздушного потока.

Принципы разработки систем охлаждения

Проектирование системы охлаждения обычно начинают с выбора максимальной рабочей температуры, т. е. максимальной температуры окружающего воздуха, при которой система охлаждения способна поддерживать температуру охлаждающей жидкости двигателя на заданном уровне.

После выбора максимальной рабочей температуры можно определить расчетный перепад температур ΔT в системе и величину необходимого воздушного потока. Чем выше выбранная максимальная рабочая температура, тем больше величина необходимого воздушного потока.

Проще говоря, если мы рассчитываем систему охлаждения для работы в средней полосе, взяв за максимум температуру окружающего воздуха +35 °С, нам потребуется менее мощный вентилятор, чем в случае, когда система охлаждения будет рассчитана на работу при +50 °С.

Для создания оптимальной по характеристикам системы охлаждения следует учитывать факторы, перечисленные далее.

Как правильно выбрать максимальную рабочую температуру

Если выбрать слишком низкую максимальную рабочую температуру, машина будет перегреваться при высоких температурах окружающего воздуха, но если выбрать чрезмерно высокую, заложив в конструкцию системы охлаждения слишком большой запас производительности, система будет потреблять слишком большую мощность, а это приведет к перерасходу топлива и ухудшению экономичности машины. Поэтому очень важно выбрать оптимальное значение максимальной рабочей температуры.

На рис. 3 представлена зависимость величины воздушного потока от температуры окружающего воздуха для теплообменника типа «воздух–воздух». В испытанной системе охлаждения использовался вентилятор Ø 864 мм, максимальная рабочая температура равнялась 43 °С.

На рис. 4 представлена зависимость мощности, потребляемой вентилятором, от температуры окружающего воздуха: мощность быстро падает с понижением температуры. Если температура окружающего воздуха опускается всего на 17 °С ниже максимальной рабочей температуры системы охлаждения, потребляемая мощность уменьшается более чем на 50%.

Свести к минимуму нагрузку на систему охлаждения

Следует выявить и исключить все паразитные нагрузки на двигатель, которые увеличивают его теплоотдачу и нагрузку на систему охлаждения. Такие паразитные нагрузки обычно появляются из-за нерациональных конструкторских решений.

Например, гидромуфта привода вентилятора обычно имеет к.п.д. 75–85%. Это означает, что 15–25% подводимой к ней мощности превращается в тепло, от которого нагревается гидравлическое масло. Это тепло должно быть отведено через систему охлаждения самим вентилятором. Гидропривод вентилятора на максимально напряженном режиме работы обычно создает 5–7% общей тепловой энергии, которая отводится системой охлаждения. За счет этого на максимальном режиме работы мощность, необходимая для привода вентилятора, увеличивается на 16–22%, чтобы дополнительно отвести тепло, созданное самим приводом, плюс потери 15–25% за счет не 100%-ного к.п.д. В результате «набегает» лишней потребляемой мощности на привод вентилятора до 31–47% на максимальном режиме.

Сравним: ременный привод вентилятора обычно имеет к.п.д. 93–98% и не увеличивает нагрузку на систему охлаждения.

Выбор диаметра вентилятора

Увеличивая диаметр крыльчатки вентилятора, можно увеличить площадь сечения воздушного потока, за счет чего можно уменьшить его скорость. Поскольку площадь круга изменяется пропорционально величине диаметра в квадрате, скорость воздушного потока изменяется пропорционально квадрату диаметра вентилятора.

Как установлено ранее, потребляемая вентилятором мощность изменяется пропорционально квадрату скорости воздушного потока. Таким образом, мощность, потребляемая вентилятором, изменяется обратно пропорционально изменению диаметра в четвертой степени:

где Е1 – мощность, потребляемая существующим вентилятором;
Е2 – мощность, потребляемая новым вентилятором;
Ø1 – диаметр существующего вентилятора;
Ø2 – диаметр нового вентилятора.

Из уравнения видно, что при увеличении диаметра вентилятора на 10% (и соответственно площади радиатора) потребляемая вентилятором мощность снижается на 32% при сохранении прежней величины воздушного потока. Поэтому выгодно использовать радиатор и вентилятор наибольшего размера, которые можно разместить в подкапотном пространстве машины.

Системы с регулируемой величиной воздушного потока

Оптимальное решение. Системы охлаждения с регулируемой величиной воздушного потока позволяют обеспечивать высокую максимальную рабочую температуру без чрезмерных паразитных затрат мощности. Два наиболее распространенных способа регулировки величины воздушного потока – изменение частоты вращения или угла поворота лопастей вентилятора. Следует заметить, что уменьшение частоты вращения вентилятора выгодно не только с точки зрения экономии мощности, но и для снижения шума работы.

Вентиляторы охлаждения с поворачивающимися лопастями (изменяемым шагом) позволяют регулировать воздушный поток. Использование таких вентиляторов дает возможность разработчикам систем охлаждения обеспечить требования при экстремально высоких температурах окружающего воздуха и в то же время свести к минимуму потребление мощности на привод.

На рис. 5 представлена зависимость величины воздушного потока, проходящего через радиатор, от статического давления: при увеличении статического давления воздушный поток уменьшается. Чем больше воздуха будет проходить через радиатор, тем большее давление потребуется создать. На графике видно, как изменяется величина воздушного потока при изменении угла поворота лопастей (кривые сдвигаются на графике).

Испытания показали, что даже при относительно теплой погоде (+27 °С) использование вентилятора с поворачивающимися лопастями позволило снизить потребляемую мощность до 50%.

Источник

Adblock
detector