О «приведенном давлении» и о сравнении канальных вентиляторов

В. Г. Караджи, канд. техн. наук;

Ю. Г. Московко, ООО «ИННОВЕНТ»

В журнале «АВОК» (№ 5, 2004, с. 70—77) была напечатана статья Р. К. Эсманского «Канальный вентилятор и его привод. Анализ тенденций развития», в которой проведено сравнение канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами различных производителей. Этот материал рассчитан на широкий круг читателей, многие из которых, являясь специалистами в области проектирования систем вентиляции, не столь глубоко разбираются в аэродинамике и акустике вентиляторов вообще и канальных в частности.

Не оспаривая основной вывод автора, что канальные вентиляторы российского производства в квадратном и прямоугольном корпусах с обычными асинхронными двигателями могут с успехом заменять и в течение последних 5 лет успешно заменяют импортные канальные вентиляторы, мы вынуждены отметить, что ряд используемых в статье терминов и построенная на них аргументация преимуществ, с нашей точки зрения, требуют обсуждения.

В статье введены новые в нашей области термины, такие как «энерговооруженность», «приведенное давление», «адаптер», «характерные скорости», на основании которых и построена аргументация автора. Некоторые из них вызывают вопросы. Например, предлагаемый параметр «приведенное давление», по которому проводится сравнение вентиляторов. По этому параметру предлагается оценивать вентиляторы для подшивных потолков, причем, чем выше этот параметр, тем лучше считается вентилятор. Иногда в статье для оценки технических характеристик указанных вентиляторов используется неопределенный термин «энерговооруженность». Считаем, что введение новых терминов, подменяющих общепринятые без обоснования их появления, и проведение сравнительного анализа на их базе не содержит полезной информации и может ввести потребителя в заблуждение относительно правильности выбора и применения вентиляторов.

При этом необходимо отметить, что есть общепринятые и понятные специалистам параметры для оценки вентиляторов, такие как безразмерные коэффициенты давления, производительности, мощности, КПД, которые получены с использованием теории подобия [1]. Исходя из общепринятых понятий, мы и рассмотрим правомерность и полезность введения новых терминов и определений.

Условия применения канальных вентиляторов в подшивных потолках

Рассмотрим условия применения канальных вентиляторов в подшивных потолках. Поскольку канальные вентиляторы малых типоразмеров не являются промышленными технологическими вентиляторами, а в большинстве являются вентиляторами-доводчиками, то основная задача вентиляторов заключается в подаче определенного количества воздуха в заданной сети.

Перемещение воздуха в воздуховодах сопряжено с возникновением определенных аэродинамических потерь, которые преодолеваются за счет полного давления, создаваемого вентилятором.

Шум вентилятора связан известными степенными зависимостями с его производительностью и давлением [1].

Производительность вентилятора обычно задана и является неизменной величиной, которая определяется условиями воздухообмена.

Сопротивление сети является параметром, который зависит в основном от технического решения проектировщика и от того, как впоследствии выполнен монтаж сети. Так как сопротивление вентиляционных сетей прямо пропорционально квадрату средней скорости воздуха в воздуховодах, то выбор скорости воздуха является неким компромиссом между необходимостью при минимальном сечении воздуховода получить максимальную производительность (меньшая металлоемкость, экономия места) и необходимостью минимизации потерь в воздуховодах, чтобы не увеличивать габариты, мощность и шум вентилятора. Поэтому для снижения потребляемой мощности, шума, а возможно, и габаритов требуемого канального вентилятора, необходимо предпринять все возможное для снижения сопротивления сети, например, использовать распределенные системы, минимально применять гибкие воздуховоды и т. д. [2].

Существует многообразие канальных вентиляторов, которые имеют свои особенности и конструктивные отличия [2]. Среди них большую группу составляют канальные вентиляторы в прямоугольном корпусе, подразделяющиеся, в свою очередь, на вентиляторы, у которых ось вращения колеса совпадает с осью воздушного канала (например, прямоточные вентиляторы типа ВРПП («КлиматВентМаш»), УНИВЕНТ-Е («ИННОВЕНТ»)), и на вентиляторы, ось которых перпендикулярна («положенные на бок рабочие колеса» типа RS и КТ (Systemair)).

Проанализируем по параметру «приведенное давление» данные табл. 3 из обсуждаемой статьи, в которой наличествует сравнение ряда канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами. Для более корректного анализа из таблицы нами были отобраны вентиляторы с близкими аэродинамическими параметрами.

Таблица 1 (смотреть) Параметры канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами размером 70×40 мм

Рисунок 1. Аэродинамические характеристики вентиляторов из табл. 1

Аэродинамические характеристики канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами размером 70x40 мм серий КТ, RS, ВРПП и с мощностью электродвигателя 0,75 кВт приведены на рис. 1 (исключение составляет вентилятор серии КТ, у которого электродвигатель имеет мощность 1,63 кВт). Здесь и далее, на рис. 2, на оси ординат приведено полное давление вентиляторов, что правомочно, т. к. полное давление вентиляторов серии КТ, RS и ВРПП мало отличается от статического. Параметры вентиляторов сведены в табл. 1. Здесь и далее, на рис. 2, в качестве примера дополнительно приведены характеристики вентилятора в квадратном корпусе УНИВЕНТ [3]. Сравнение канальных вентиляторов в прямоугольном корпусе с канальными вентиляторами в квадратном корпусе при прямоточной схеме и правильных соотношениях площадей поперечного сечения корпуса и колеса правомерно, поскольку наши исследования и публикации других авторов показали, что аэродинамические характеристики таких вентиляторов определяются в основном свойствами рабочего колеса.

Как видно из рис. 1, рассматриваемые вентиляторы в рабочей зоне имеют близкие характеристики, поэтому «приведенное давление» этих вентиляторов также одинаково. Но при этом вентилятор КТ имеет в два раза большую потребляемую мощность.

Не вдаваясь подробно в объяснение причин, следует сказать, что вентилятор с вперед загнутыми лопатками более чувствителен к условиям входа потока в колесо и загромождению проточной части электродвигателем, но одни из основных потерь связаны с переходом от спиральной части к полному выходному сечению вентилятора (потери на удар). Сравнивать же шумовые характеристики вентиляторов нельзя, т. к. они получены на различных режимах, как это видно из табл. 1, а для вентилятора ВРПП этот режим не определен. Если же подходить формально, как это делает автор обсуждаемой статьи, то вентилятор КТ имеет минимальный уровень шума, а вентилятор RS при производительности менее 0,5 от максимальной имеет также существенно выше «приведенное давление», чем остальные вентиляторы, в том числе и вентилятор ВРПП. Кстати, режимы, близкие к режимам 0,3–0,4 от максимальной производительности, наиболее эффективны для вентиляторов типа КТ (вентиляторы с «положенными на бок рабочими колесами» с вперед загнутыми лопатками).

Таблица 2 (смотреть) Параметры канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами размером 100x50 мм

Рисунок 2. Аэродинамические характеристики вентиляторов из табл. 2

Рассмотрим вентиляторы больших типоразмеров, которые вряд ли можно использовать для подшивных потолков, но которые также упомянуты автором обсуждаемой статьи в табл. 3 («АВОК», 2004, № 5, с. 73). Характеристики канальных вентиляторов с прямоугольными корпусами размером 100x50 серий КТ, RS, ВРПП и с мощностью электродвигателя 3 кВт приведены на рис. 2, а параметры вентиляторов сведены в табл. 2 (исключение составляет вентилятор КТ, у которого электродвигатель имеет несколько большую мощность — 3,8 кВт). Также для сравнения в табл. 2 и на рис. 2 внесены данные аналогичного по параметрам канального вентилятора типа УНИВЕНТ.

Таблица 3 (смотреть) Значения звуковой мощности вентиляторов ВРПП с «приведенным давлением» выше 1 600 Па/м [4]

Как видно из рис. 2, вентиляторы имеют близкие характеристики, поэтому «приведенное давление» вентиляторов в прямоугольном корпусе также одинаково, однако при этом  вентилятор серии КТ потребляет на 25 % большую мощность. Сравнивать же шумовые характеристики вентиляторов, как и в первом случае, нельзя, т. к. они сняты на различных режимах. Если же подходить формально, то вентилятор КТ из рассмотренных вентиляторов в прямоугольном корпусе также имеет минимальный уровень шума, а вентилятор RS — максимальное «приведенное давление» на режимах менее 0,5 от максимальной производительности, что совсем не согласуется с данными, приведенными в табл. 3 обсуждаемой статьи.

Что же касается значений «приведенного давления» 1 600 Па/м и выше, то эти значения, очевидно, относятся к вентиляторам ВРПП с синхронной частотой вращения 3 000 об/мин. Использовать эти вентиляторы в межпотолочном пространстве, несмотря на их приемлемые габариты, не рекомендуется из-за больших уровней шума. В качестве иллюстрации в табл. 3 приведены значения звуковой мощности вентиляторов ВРПП с «приведенным давлением» выше 1 600 Па/м.

Таблица 4 (смотреть) Сравнение вентиляторов ВРПП и ВРПД, с близкими по размеру корпусами с одинаковой частотой вращения [4]

Аналогичные рассуждения о преимуществе высокого значения «приведенного давления» автор статьи относит и к вентиляторам ВРПП с переходом (адаптером) для круглых воздуховодов. Однако в этом случае ситуация несколько сложнее. Аэродинамические характеристики вентиляторов ВРПП с адаптерами в каталоге [4] отсутствуют. В обсуждаемой статье на рис. 16 и 17 («АВОК», 2004, № 5, с. 77) приведены аэродинамические характеристики вентиляторов ВРПП 40x20В и 100x50В с адаптерами для круглых воздуховодов. Автор, очевидно, предполагает, что они те же, что и у вентиляторов ВРПП без адаптеров. На этих рисунках приведены характеристики по полному давлению, причем все кривые при максимальной производительности имеют полное давление, равное нулю. В исходных же данных зарубежных сравниваемых вентиляторов полное давление при максимальной производительности не равно нулю, а равно динамическому давлению вентиляторов [5]. Вентиляторы ВРПП 40x20В и ВРПП 100x50А на режиме максимальной производительности должны иметь полное давление 160 и 65 Па соответственно, но никак не равное нулю!

Более наглядно это несоответствие можно показать на примере вентилятора ВРПП 70-40Г (2,2 кВт, 2 915 об/мин) с переходником (адаптером) для воздуховода диаметром 355 мм. Если характеристики вентилятора с адаптером принимаются теми же, что и ВРПП без адаптера, то на режиме максимальной производительности 6 600 м³/ч скорость на выходе из переходника составляет 18,5 м/с, а динамическое давление вентилятора с переходником равно 205 Па. Из аэродинамических характеристик вентилятора, приведенных в каталоге [4], следует, что на этом режиме полное давление составляет 50 Па, следовательно, вентилятор имеет отрицательное статическое давление равное – 155 Па! Возможно, за адаптером установлен высокоэффективный диффузор, но об этом в каталоге [4] не сказано.

Далее, чтобы в воздуховоде диаметром 355 мм скорость потока была не более 5,5 м/с, вентилятор должен работать на режимах левее производительности 1 960 м³/ч, т. е. на режимах, составляющих менее 0,3 его максимальной производительности. В этой зоне вентилятор с назад загнутыми лопатками работает в срывном режиме и должен быть заменен на вентилятор другого типоразмера, причем его установленная мощность будет 1,1 кВт, т. е. в 2 раза меньше исходной.

Давление вентилятора ВРПП 70-40 Г при производительности 1 960 м³/ч равно 990 Па, а «приведенное давление» соответственно равно: 990/0,355 = 2 780 (в табл. 6 рассматриваемой статьи указано 3 429). Что означает такое высокое давление? Это значит, что при скорости в воздуховоде 5,5 м/с вентилятор может преодолеть сопротивление прямого оцинкованного воздуховода длиной примерно 1 200 м (коэффициент трения l = 0,02) или короткого воздуховода примерно с 40 поворотами. При этом звуковая мощность вентилятора будет несколько более значений 90–93–77 дБА (вход/ выход/корпус), приведенных для режима максимальной эффективности. Это потребует соответствующих глушителей на входе и выходе и корпуса с шумопоглощающим материалом и приведет к увеличению размеров вентилятора. Если же этот вентилятор использовать с меньшим адаптером, то цифры будут еще более впечатляющими.

Таким образом, используемый в статье параметр «приведенное давление» (также и «энерговооруженность») имеет малое отношение к оптимальному выбору вентиляторов, т. к. не учитывает многих факторов. Обычная практика, принятая в аэродинамике вентиляторов, предусматривает сравнение вентилятора по таким безразмерным параметрам, как коэффициенты производительности, давления и мощности, которые не зависят от частоты вращения и диаметра колеса и получены с использованием теории подобия [1].

Известно, что при равных диаметре рабочего колеса и частоте вращения вентиляторы с колесами с вперед загнутыми лопатками, независимо от формы корпуса, всегда будут иметь большее давление и соответственно «приведенное давление», т. к. безразмерный коэффициент полного давления таких колес в 1,5–2 раза выше, чем у колес с назад загнутыми лопатками.

Вентиляторы серии КТ относятся именно к такому классу вентиляторов, и, как видно из табл. 1 и 2, при меньшей частоте вращения имеют те же или даже более высокие значения давления и, соответственно, «приведенного давления». Очевидно, что переход на большую частоту вращения приведет к увеличению «приведенного давления», но платой за это будет большая потребляемая мощность и существенное увеличение шума.

Примером тому служит вентилятор с вперед загнутыми лопатками и прямоугольным корпусом ВРПД [4], который по каким-то причинам не попал в табл. 3 рассматриваемой статьи, хотя имеет «приведенное давление» существенно больше, чем вентиляторы ВРПП с прямоугольным корпусом.

Сравнение вентиляторов ВРПП и ВРПД с близкими по размеру корпусами и с одинаковой частотой вращения приведено в табл. 4. Здесь же приведены производительность и давление вентиляторов, соответствующие скорости потока в канале, равной 3,5 м/с.

Если сравнивать вентиляторы по предлагаемому параметру «приведенное давление», то вентилятор ВРПД явно предпочтительней, и при этом вентилятор ВРПД имеет на 40 % выше максимальную производительность. Но платой за это является превышение мощности электродвигателя более чем в 3 раза. Сравнить же шум вентиляторов нельзя, т. к., возможно, в каталоге [4] допущена ошибка.

Судя по приведенным аэродинамическим характеристикам вентилятора ВРПД [4], он является близким аналогом радиального вентилятора ВР-300-45-4 (Ц14-46-4). Звуковая мощность на выходе из вентилятора ВР 300-45-4 (с электродвигателем 7,5 кВтx1 430 об/мин) равна 96 дБА [6], в то время как у вентилятора ВРПП (с электродвигателем 11x1 460 об/мин) только 91 дБА.

От канальных вентиляторов (доводчиков) в пределах заданных габаритов и мощности требуется иметь как можно большую производительность при давлении, не превышающем 15–20 единиц динамического давления, посчитанного по скорости воздуха в воздуховоде. Для потребителя вентиляционного оборудования важно иметь большой набор аэродинамических характеристик в одном габарите вентилятора и, в дополнение к этому, иметь возможность частотного регулирования вентиляторов, что было учтено при создании канальных вентиляторов серии УНИВЕНТ, которые являются дальнейшей разработкой вентиляторов ВК-11 (патент на вентиляторы ВК получен в 1999 году).

Не вдаваясь в детали, можно отметить, что аэродинамические характеристики прямоточных канальных вентиляторов с загнутыми назад лопатками и прямоугольным в поперечном сечении корпусом (а в частности, и квадратным) не существенно меняются с изменением формы корпуса при соблюдении определенных пропорций площадей поперечного сечения корпуса и рабочего колеса. Аэродинамические характеристики вентилятора определяются в основном геометрией рабочего колеса.

Авторы настоящей статьи отдают предпочтение канальным вентиляторам с квадратным корпусом, поскольку в таких вентиляторах конструктивно очень просто организовать выход потока практически в любом направлении (прямо, вверх, вниз, вправо, влево), а также и в нескольких направлениях одновременно (например, прямо и вверх или вправо и влево и т. д.), что представляет проблему для большинства канальных вентиляторов, в том числе и в прямоугольном корпусе. Это позволяет значительно экономить место при определенных компоновках вентиляционных систем. Кроме этого квадратный корпус позволяет очень просто решить задачу шумопоглощения.

В обсуждаемой статье автор рассмотрел также применение обычных двигателей серии АИР вместо двигателей с внешним ротором. В вентиляторах серии УНИВЕНТ также используются электродвигатели серии АИР, а не электродвигатели с внешним ротором, поскольку в прямоточном вентиляторе (ось вращения колеса совпадает с осью воздуховода) продольный размер двигателя не влияет на аэродинамические характеристики вентилятора и условия применения вентилятора в вентсистемах. Однако стоит отметить следующее. Электродвигатели с внешним ротором применительно к вентиляторам имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам следует отнести: снижение габаритов вентилятора, простое регулирование частоты вращения и т. д., а к недостаткам — ухудшение аэродинамических характеристик из-за загромождения проточной части колеса, увеличенное скольжение при увеличении нагрузки, низкие значения КПД и перегрев (кстати, по этой причине двигатели с внешним ротором выпускаются с встроенным термозащитным реле). Электродвигатели серии АИР не имеют указанных выше недостатков, а их основной минус — дорогое регулирование, причем габариты имеют второстепенное значение. Важно в каждом конкретном случае применения электродвигателя в вентиляторе грамотно оценить его достоинства и недостатки. Например, в прямоточных канальных вентиляторах, встраиваемых в воздуховоды, продольный габарит вентилятора не имеет большого значения, а выигрыш в потребляемой мощности при применении электродвигателя типа АИР может быть большой. С другой стороны, некоторые отечественные производители свели на нет достоинства малых поперечных размеров канальных вентиляторов с «положенными на бок рабочими колесами» (например, серии ВРПВ-Н и ВРПН-Н [4]), заменив в них двигатели с внешним ротором на обычные двигатели серии АИР. Таким образом, было потеряно главное достоинство таких вентиляторов — малая высота корпуса и возможность устанавливать его в узкие пространства.

Выводы

1. Введенная автором терминология и принципы оценки вентиляторов не совсем корректны. Однако основной вывод о правомерности использования канальных вентиляторов с обычными асинхронными двигателями наравне или на замену вентиляторов с двигателем с внешним ротором абсолютно правилен.

2. При выборе вентилятора для системы необходимо рассматривать его с разных сторон и выбирать вентилятор из конкретных требований к данной системе: габариты, производительность, сопротивление сети, установочная мощность, шум и т. д. В помещения (в частности, в подшивной потолок), где постоянно находятся люди, вентиляторы можно ставить только в крайнем случае, предварительно проверив их по реальным уровням создаваемого шума и приняв все возможные меры для его снижения.

Литература

1. Соломахова Т. С. Центробежные вентиляторы. М.: Машиностроение, 1975.

2. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования // ООО «ИННОВЕНТ», 2004.

3. Каталог вентиляционного оборудования ООО «ИННОВЕНТ», 2004.

4. Каталог вентиляционного оборудования ООО «КлиматВентМаш», 2004.

5. Каталог вентиляционного оборудования Systemair, 2003.

6. Каталог вентиляционного оборудования ОАО «МОВЕН», 2004.