Краткий обзор типов центробежных вентиляторов

Прежде чем перейти к конкретным областям применения, полезно знать, что термин «центробежный вентилятор» является общим понятием, охватывающим четыре различных конструкции лопастей, каждая из которых выполняет свои задачи. Ниже приводится краткий обзор для удобства:

Промышленная вентиляция, пылеудаление и применение в тяжелых технологических процессах

Когда большинство инженеров задумываются об областях применения центробежных вентиляторов, им на ум приходят следующие картины: производственные цеха, забитые пылью рукавные фильтры, цементные печи, раскаленные до 400 °C. В каждом случае задача вентилятора на фундаментальном уровне одна и та же: преодолеть сопротивление системы, справляясь при этом со всем, что бросает ему воздушный поток. Различия заключаются в том, что на самом деле означают термины «сопротивление системы» и «все, что бросает ему воздушный поток».

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и вентиляция зданий

Самое универсальное применение центробежных вентиляторов — это то, с чем люди сталкиваются каждый день, даже не замечая этого. Каждая коммерческая вентиляционно-кондиционерная установка (ВКУ) использует центробежные вентиляторы для прогона кондиционированного воздуха через обширные сети воздуховодов, через охлаждающие змеевики и через фильтры. Типичная установка AHU в офисном здании сталкивается с требованием к статическому давлению от 2 до 4 дюймов водяного столба на подающей стороне и ещё от 2 до 3 дюймов водяного столба на обратной стороне — что значительно превышает значения, которые осевой вентилятор способен эффективно поддерживать.

Вентиляторы с вперед наклоненными лопастями уже давно стали стандартом в коммерческих системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), поскольку они компактны и работают тихо при умеренных скоростях от 800 до 1 200 об/мин. В крупных объектах — больницах, университетских кампусах, терминалах аэропортов — их постепенно вытесняют центробежные вентиляторы с аэродинамическими лопастями. Вентилятор с аэродинамическими лопастями, работающий в крупной вентиляционно-кондиционирующей установке, позволяет сократить энергопотребление на 15–20 процентов по сравнению с аналогичным агрегатом с лопастями с прямым изгибом. При круглосуточном режиме работы эта разница быстро накапливается.

Удаление пыли, отвод дыма и фильтрация воздуха

Если перейти от фильтрованного приточного воздуха к загрязнённому вытяжному воздуху, роль центробежного вентилятора меняется с обеспечения комфорта на обеспечение безопасности. Рукавный пылесборник на деревообрабатывающем предприятии должен пропускать воздух через десятки тканевых фильтрующих рукавов, каждый из которых создаёт своё собственное сопротивление. Общее статическое давление в системе типичного промышленного рукавного пылесборника колеблется от 8 до 15 дюймов водяного столба, включая совокупную нагрузку от фильтров (по 3–6 дюймов водяного столба каждый), колен трубопроводов и впускных колпаков.

Здесь на первый план выходят радиальные лопасти. Прямые лопасти повышенной прочности отбрасывают твердые частицы, а не накапливают их, и способны выдерживать концентрацию пыли на входе до 20 зерен на кубический фут без потери производительности. Для химически агрессивных паров — кислотных туманов при гальваническом покрытии, паров растворителей в окрасочных камерах — корпус вентилятора и рабочее колесо часто изготавливаются из нержавеющей стали марки 304 или 316 с коррозионно-стойкими покрытиями.

В условиях, когда воздушный поток содержит горючий пыль или легковоспламеняющиеся газы, наличие соответствующей сертификации становится обязательным условием. Центробежные вентиляторы, соответствующие требованиям ATEX и имеющие искробезопасную конструкцию, являются обязательными для использования на всей территории Европейского Союза и все чаще указываются в технических заданиях международных проектов. Даже одна искра, возникшая при контакте рабочего колеса с корпусом, может привести к возгоранию всей системы пылеудаления. Ни один руководитель предприятия не пойдет на такой риск.

Тяжёлая промышленность и перерабатывающая промышленность

На самом крайнем конце спектра применения находятся центробежные вентиляторы, работающие в условиях, в которых большинство механического оборудования не способно выдержать. Вентилятор принудительной тяги (ID) цементного завода вытягивает отработанные газы с температурой от 250 до 400 °C из печи через башню подогревателя и электростатический осадитель, зачастую при статическом давлении в системе, превышающем 30 дюймов водяного столба. Материал рабочего колеса — не мягкая сталь. Как правило, это сталь «Кортен» или нержавеющая сталь марки 310S, выбранные за их сопротивление ползучести при длительном воздействии высоких температур. Подшипники имеют водяное охлаждение. Вес всего агрегата может составлять несколько тонн.

В сфере энергетики ситуация аналогична, но в ещё более крупных масштабах. Один вентилятор с принудительной тягой (FD), подающий воздух для горения в угольный котёл, способен пропускать более одного миллиона кубических футов в минуту. Это не серийные изделия. Каждый вентилятор разрабатывается с учётом конкретной конструкции котла, типа топлива и оборудования для контроля выбросов.

В подземных горных выработках центробежные вентиляторы выполняют функцию основной вентиляции, затягивая свежий воздух в шахту и вытягивая загрязненный воздух, насыщенный пылью, дизельными частицами и, в некоторых случаях, метаном. Требования к надежности являются абсолютными. Выход вентилятора из строя в шахте приводит к эвакуации.

В совокупности на эти промышленные области применения приходится большая часть установок центробежных вентиляторов как по стоимости единицы оборудования, так и по физическим размерам. Однако это еще не вся картина. Если уменьшить размеры — порой значительно — центробежные вентиляторы начинают использоваться там, где в руководствах SERP об этом редко упоминается.

Охлаждение оборудования, электроника и компактные системы

Центробежные вентиляторы используются не только на производственных площадках и электростанциях. Параллельный мир компактных, зачастую работающих от постоянного тока центробежных вентиляторов существует внутри оборудования, обеспечивающего функционирование современной инфраструктуры. Они работают тихо, надежно и имеют размеры, измеряемые миллиметрами, а не метрами.

Охлаждение корпусов, шкафов и центров обработки данных

Откройте любой промышленный шкаф управления, уличный телекоммуникационный шкаф или серверную стойку — и вы, скорее всего, обнаружите там центробежный вентилятор постоянного тока, обеспечивающий теплоотвод. Физические принципы здесь те же, что и в тяжелой промышленности, просто в уменьшенном масштабе: плотно размещенные печатные платы и силовые модули создают высокое сопротивление воздушному потоку, и вентилятору приходится проталкивать воздух через узкие каналы и мимо плотно расположенных радиаторов.

Типичный центробежный вентилятор постоянного тока диаметром 120 мм создает статическое давление от 2 до 4 дюймов водяного столба. Это примерно в четыре–восемь раз превышает показатели осевого вентилятора аналогичного размера. Благодаря такому напору один компактный вентилятор способен охлаждать весь привод с частотно-регулируемым преобразователем или стойку сетевого оборудования, что позволяет обойтись без использования нескольких осевых вентиляторов, соединенных последовательно.

При установке на открытом воздухе — на телекоммуникационных базовых станциях, в придорожных шкафах, в корпусах солнечных инверторов — защита от воздействия окружающей среды имеет такое же значение, как и обеспечение воздушного потока. Степень защиты IP54 является практическим минимумом для защиты от дождя. В прибрежных районах или местах с высокой влажностью часто предписывается степень защиты от IP65 до IP68, что требует использования полностью герметичного двигателя и герметично залитой электроники. ШИМ-регулирование скорости в настоящее время является стандартом в этом сегменте: вентилятор увеличивает или уменьшает скорость в ответ на сигнал термистора, а не работает непрерывно на полной скорости, что продлевает срок службы вентилятора и повышает энергоэффективность.

Автомобилестроение, зарядка электромобилей и системы на основе новых источников энергии

Электрификация транспорта и развитие технологий накопления энергии привели к появлению совершенно новой категории спроса на центробежные вентиляторы, обусловленной чрезвычайно высокой тепловой плотностью в ограниченных пространствах.

Возьмем, к примеру, станцию быстрой зарядки постоянного тока. Каждый зарядный модуль внутри шкафа преобразует переменный ток из сети в высоковольтный постоянный ток с мощностью от 30 до 50 кВт на модуль. Требования к отводу тепла сопоставимы с небольшим промышленным процессом, но доступное пространство измеряется в единицах стойки, а не в заводских отсеках. Стандартным решением являются центробежные вентиляторы на 48 В постоянного тока, рассчитанные на непрерывную работу при внутренней температуре шкафа, которая может превышать 60 °C.

Системы накопления энергии (ESS) — контейнеры с аккумуляторными батареями, которые всё чаще устанавливаются рядом с солнечными электростанциями и ветровыми турбинами, — представляют собой ещё более сложную задачу. Эти системы работают на открытом воздухе круглый год — от пустынного лета до арктической зимы — при температуре окружающей среды от -30 до 60 °C. Вентиляторы, охлаждающие батарейные стойки, должны соответствовать классу защиты IP65 или выше, быть устойчивыми к ультрафиолетовому излучению и обеспечивать срок службы подшипников L10 от 50 000 до 70 000 часов. Это примерно восемь лет непрерывной работы. Выход из строя вентилятора в системе ESS может привести не просто к необходимости технического обслуживания, а к снижению тепловой мощности всей системы хранения энергии.

Фотоэлектрические инверторы, шкафы преобразователей ветровых турбин и источники питания для водородных электролизеров имеют свои собственные тепловые характеристики. Общее для них: обеспечение циркуляции воздуха под высоким давлением с высокой степенью надежности в условиях ограниченного пространства и зачастую в режиме автономной работы.

Компактные и встроенные приложения — медицина, 3D-печать и не только

На самом нижнем конце спектра центробежных вентиляторов находятся устройства, которые большинство людей вообще не восприняли бы как вентиляторы. Аппарат CPAP или BiPAP, подающий точно дозированный поток воздуха спящему пациенту, оснащен миниатюрным центробежным вентилятором, как правило, диаметром от 50 до 80 мм, работающим на бесщеточном двигателе постоянного тока с прецизионным ШИМ-регулированием скорости и обратной связью от генератора частоты (FG) для регулирования по замкнутому контуру. Предельный уровень шума для этих устройств составляет около 35 дБА — примерно на уровне шепота — поскольку пациент пытается спать рядом с ними. Ожидаемый срок службы составляет 40 000 часов и более.

В 3D-принтере крошечный центробежный вентилятор модели 5015 (50 × 50 × 15 мм) направляет охлаждающий воздух на только что экструдированную нить. Он регулирует скорость затвердевания каждого слоя, что напрямую определяет качество печати и качество печати выступов. В гематологическом анализаторе, установленном в лаборатории больницы, вентилятор аналогичного размера обеспечивает точный контроль температуры лотков с реагентами и оптических датчиков. Отклонение температуры даже на 1 °C может привести к недействительности результатов анализа крови пациента.

Все эти области применения объединяет одна общая черта: роль центробежного вентилятора теперь заключается не в том, чтобы «перекачивать большие объемы воздуха», а в том, чтобы «перекачивать ровно столько воздуха, сколько нужно, при точно заданном давлении, бесшумно, в течение многих лет и без сбоев». Это принципиально иная инженерная задача, чем в случае с внутренним вентилятором цементной печи, решаемая с помощью того же базового механизма, уменьшенного на два порядка.

Как выбрать подходящий центробежный вентилятор для ваших задач

Изучив варианты применения — от вытяжных систем печей с температурой 400 °C до бесшумных вентиляторов для аппаратов CPAP — возникает естественный вопрос: к какой категории относится ваш проект и как это отразить в технических характеристиках вентилятора?

Основные показатели эффективности, которые необходимо определить

Прежде чем сравнивать типы вентиляторов, необходимо ответить на пять вопросов о вашей системе. Каждый ответ сужает круг выбора:

1. Расход воздуха (CFM). Какой расход воздуха необходим? В качестве ориентировочного значения: для небольшого корпуса электронного оборудования может потребоваться от 20 до 200 кубических футов в минуту (CFM); для коммерческой вентиляционной установки среднего размера — от 2 000 до 20 000 CFM; для крупной промышленной системы пылеудаления — от 10 000 до 100 000 CFM или более.

2. Статическое давление (дюймы вод. ст.). Какое сопротивление создает система? Охлаждение на открытом воздухе: менее 0,5 дюйма вод. ст. Короткие воздуховоды с фильтрами: от 1 до 5 дюймов вод. ст. Системы с рукавными фильтрами или скрубберами: от 5 до 15 дюймов вод. ст. Тяжёлые промышленные процессы: от 15 до 30 дюймов водяного столба. Именно этот единственный параметр является наиболее распространённой причиной того, что вентилятор, размер которого в остальном подобран правильно, работает не на полную мощность. Сопротивление системы почти всегда оказывается выше первоначальных расчётов.

3. Качество воздуха. Что содержится в воздушном потоке? Чистый, отфильтрованный воздух открывает самые широкие возможности в выборе вентиляторов вентиляторного типа. Наличие пыли, дыма или твердых частиц сужает выбор до вентиляторов с радиальными лопастями или моделей с обратно изогнутыми лопастями со специальным покрытием. Коррозионные газы требуют использования нержавеющей стали или химически стойких материалов. Горючая пыль или пары требуют использования конструкций с сертификатом ATEX и искробезопасной конструкцией.

4. Диапазон температур. Температура окружающей среды и тепловыделение, связанное с технологическим процессом, влияют на срок службы изоляции двигателя и выбор материала рабочего колеса. Полезное инженерное эмпирическое правило: с каждым повышением рабочей температуры на 10 °C сверх номинального класса двигателя срок службы изоляции сокращается примерно вдвое. Если в вашей области применения на входе вентилятора постоянно наблюдаются температуры выше 80 °C, выбор двигателя нельзя осуществлять просто по каталогу. В этом случае требуется проведение теплотехнического анализа.

5. Шум и эффективность. В помещениях, где люди находятся постоянно, нормы шума могут иметь приоритет над другими факторами. Вентиляторы с аэродинамическими лопастями и лопастями с обратной кривизной по своей природе работают тише, чем вентиляторы с радиальными лопастями. Для энергоемких применений — то есть для оборудования, работающего круглосуточно — двигатели с электронной коммутацией (EC) и регулируемой скоростью обеспечивают существенную экономию затрат на протяжении всего срока службы по сравнению с асинхронными двигателями переменного тока с фиксированной скоростью, особенно в режимах частичной нагрузки.

Выбор типа вентилятора в соответствии с требованиями вашей системы

После того как вы определите значения этих пяти параметров, в приведенной ниже таблице вы сможете сопоставить типичные условия эксплуатации с наиболее подходящим типом центробежного вентилятора:

Для проектов, предполагающих необычные комбинации — высокая температура в сочетании с коррозионным газом или очень низкий уровень шума в сочетании с твердыми частицами — приведенная выше таблица служит отправной точкой, однако стандартного каталожного вентилятора, точно соответствующего вашему профилю, может не существовать. В таких случаях сотрудничество с производителем, предлагающим собственную инженерную поддержку и разработку вентиляторов по индивидуальному заказу, позволяет сэкономить месяцы, которые пришлось бы потратить на метод проб и ошибок. Производитель, обладающий полной линейкой центробежных вентиляторов — радиальных вентиляторов переменного тока, радиальных вентиляторов постоянного тока и компактных нагнетателей — при поддержке команды инженеров-прикладников, которая занимается подбором по параметрам и адаптацией под требования OEM/ODM, зачастую может предоставить индивидуальное решение быстрее, чем вы успеете оценить и отклонить несколько готовых вариантов.

Список литературы

• Международная ассоциация по вентиляции и регулированию воздушных потоков (AMCA). «Вентиляторы и системы». Публикация AMCA № 201.
• Кори, Уильям. Вентиляторы и вентиляция: практическое руководство. Elsevier, 2005.
• ACDCFAN. «Линейка центробежных вентиляторов». acdcecfan.com/центробежный-вентилятор/
• ACDCFAN. «Контакты для получения помощи по вопросам технического отбора». acdcecfan.com/contact/
• ACDCFAN. «Официальный сайт». acdcecfan.com