Осевые и радиальные вентиляторы — полное руководство по выбору для покупателей промышленного оборудования

Если вы занимаетесь подбором вентиляторов для охлаждения или вентиляции промышленного оборудования, вы, вероятно, сталкивались с той же проблемой. Технические характеристики осевых и радиальных вентиляторов настолько похожи, что это сбивает с толку, но в то же время настолько отличаются, что выбор неподходящего варианта может привести к необходимости перепроектирования корпуса, преждевременной замене вышедших из строя агрегатов или, что ещё хуже, — к потере клиента из-за того, что ваше оборудование не справляется с реальными условиями эксплуатации.

Основное различие между осевыми и радиальными вентиляторами становится очевидным, как только вы его заметите. Осевой вентилятор прогоняет воздух прямо через себя, как пропеллер. Радиальный вентилятор втягивает воздух в центре и выбрасывает его под углом 90 градусов за счет центробежной силы. Это единственное механическое отличие сказывается на всех важных показателях производительности: расходе воздуха, давлении, КПД, уровне шума и, что наиболее важно, на том, для каких задач подходит каждый из этих типов.

Данное руководство предназначено для инженеров и специалистов по закупкам, которым недостаточно одних лишь определений. Вам необходимо знать, где на самом деле проходит граница между этими двумя типами вентиляторов, и что следует проверить, помимо показателей расхода воздуха и давления, прежде чем остановить свой выбор на конкретном поставщике.

Принцип работы осевых и радиальных вентиляторов — основное отличие

Осевой вентилятор перемещает воздух так же, как настольный вентилятор. Лопасти, закреплённые на центральной втулке, вращаются вокруг вала, втягивая воздух с одной стороны и выталкивая его прямо на другую, параллельно оси вращения. Путь воздушного потока короткий, прямой и беспрепятственный. Аксиальные вентиляторы обычно имеют от 3 до 9 лопастей в зависимости от подтипа: простой пропеллерный вентилятор может иметь 3 широких лопасти, в то время как высокоэффективная лопастная аксиальная конструкция использует большее количество лопастей с тщательно профилированными аэродинамическими формами и направляющими лопастками для выпрямления выходящего потока.

Радиальный вентилятор, также называемый в западной инженерной литературе центробежным вентилятором или центробежным нагнетателем, работает по совершенно иному принципу. Воздух поступает через центр вращающегося рабочего колеса, затягивается между лопастями и выбрасывается наружу под действием центробежной силы. Он выходит под прямым углом к входу через спиральный корпус, называемый спиралью или волютой. Именно эта спираль является определяющей конструктивной особенностью, преобразующей высокоскоростной воздух, выходящий из рабочего колеса, в полезное статическое давление — она является обязательным элементом конструкции.

Вот интуиция, которая поможет вам принять любое решение, о котором пойдет речь в этой статье: Осевой вентилятор обеспечивает объемный поток, а радиальный — напор. Поднесите руку к осевому вентилятору — вы почувствуете сильный поток воздуха. Если частично перекрыть выпускное отверстие, поток воздуха исчезнет, поскольку осевые вентиляторы не способны преодолевать сопротивление. А если перекрыть выпускное отверстие радиального вентилятора, он продолжит работать. Центробежный механизм создает давление, преодолевающее противодавление. Именно поэтому тот же осевой вентилятор, который прекрасно охлаждает помещение, не справится с работой в канальной системе с фильтрами и изгибами, в то время как радиальный вентилятор, разработанный специально для такой системы, справится с этой задачей без особых усилий.

Расход воздуха и статическое давление — основной компромисс в характеристиках

Выбор между осевыми и радиальными вентиляторами, по сути, представляет собой компромисс между расходом воздуха и статическим давлением. Невозможно достичь максимальных значений обоих параметров с помощью одного и того же типа вентилятора. Понимание этого компромисса с учетом четырёх показателей производительности поможет вам определить, какому из вариантов больше подходит ваша задача.

Расход воздуха — когда требуется пропускать большой объём воздуха

В условиях открытого пространства или низкого сопротивления преобладают осевые вентиляторы. Промышленные осевые вентиляторы способны пропускать от 50 000 до более чем 300 000 кубических метров в час — именно такой расход воздуха необходим для вентиляции складов, обеспечения тяги в градирнях или циркуляции воздуха в сельском хозяйстве (Инженерный инструментарий). Для сравнения: радиальные вентиляторы, используемые в промышленности, обычно работают в диапазоне от 5 000 до 200 000 м³/ч.

Однако сравнение объёмов может ввести в заблуждение, если ориентироваться исключительно на номинальные показатели в условиях свободного воздуха. Расход воздуха у осевого вентилятора резко падает при появлении сопротивления: изгибе воздуховода, фильтре или плотно установленной стойке с компонентами. Расход воздуха у радиального вентилятора также снижается при сопротивлении, но гораздо медленнее, поскольку центробежный механизм создаёт давление, необходимое для преодоления сопротивления. При сопротивлении системы 300 Па радиальный вентилятор может по-прежнему обеспечивать 80% от своего номинального расхода в свободном воздухе, тогда как у осевого вентилятора аналогичного размера этот показатель может снизиться до 40% или даже меньше. Указанное в техническом паспорте максимальное значение расхода воздуха отражает только лабораторные условия. Фактическая рабочая точка находится там, где кривая вентилятора пересекается с кривой вашей системы.

Статическое давление — скрытый фактор, влияющий на принятие решений

Статическое давление — это параметр, который чаще всего упускают из виду покупатели, приобретающие вентиляторы впервые, и именно он чаще всего становится причиной ошибочного выбора. Давление, измеряемое в паскалях (Па) или миллиметрах водяного столба (мм ВС), отражает сопротивление, с которым сталкивается ваша система. Каждый метр воздуховода, каждый слой фильтра, каждый изгиб в пути воздушного потока увеличивает это сопротивление. Сопротивление системы растёт пропорционально квадрату объёма воздушного потока: удвойте объём перемещаемого воздуха — и требуемое давление увеличится в четыре раза (Инженерный инструментарий).

Стандартные осевые вентиляторы без проблем работают в диапазоне давления от 0 до 500 Па. Высокопроизводительные осевые вентиляторы с направляющими лопастями способны создавать более высокое давление — до примерно 500 мм вод. ст. (около 4 900 Па) — однако их стоимость и конструкционная сложность значительно выше, чем у стандартных осевых агрегатов. Радиальные вентиляторы предназначены для работы при высоком давлении: типичный промышленный центробежный вентилятор справляется с давлением от 500 до более 5 000 Па, а конструкции с радиальными лопастями, специализированные для транспортировки материалов, могут достигать 1 400 мм вод. ст.

В инженерной литературе часто приводится следующее практическое правило: если требуемое общее статическое давление вашей системы превышает примерно 400 Па, следует обратить внимание на радиальные вентиляторы. При значениях ниже этого порога, при благоприятных прочих условиях, более экономичным выбором обычно являются осевые вентиляторы.

Энергоэффективность — какой вентилятор обходится дешевле в эксплуатации

Однако пиковая эффективность — это не тот показатель, от которого зависит размер вашего счета за электроэнергию. Важно то, как сохраняется эффективность, когда условия эксплуатации отклоняются от расчетных. В этом плане центробежные вентиляторы с обратно изогнутыми лопастями имеют решающее преимущество: они «не перегружаются», то есть их энергопотребление фактически снижается, когда расход воздуха превышает расчетное значение, что предотвращает перегорание двигателя. Центробежные вентиляторы с прямыми лопастями и большинство осевых вентиляторов имеют возрастающие кривые потребляемой мощности. Если заставить их работать с расходным потоком, превышающим расчетный, двигатель будет потреблять всё больше тока, пока что-то не выйдет из строя. Если в вашей системе присутствуют переменные нагрузки — например, пылесборник с меняющимися условиями работы фильтров или вентиляционная система, переключающаяся между режимами работы, — более ровная кривая КПД радиального вентилятора с обратно изогнутыми лопастями позволит вам реально сэкономить на эксплуатационных расходах в течение всего срока службы оборудования.

Шум — когда важна бесшумная работа

Осевые вентиляторы, как правило, работают тише на низких скоростях. Воздух движется по прямой линии без турбулентности, возникающей при повороте на 90 градусов, и отсутствует спиральный корпус, способный вступать в резонанс. Радиальные вентиляторы, как правило, работают громче из-за резонанса спирального корпуса и более высоких давлений. Однако в системах с высоким давлением ситуация меняется на противоположную: закрытый спиральный корпус радиального вентилятора может лучше удерживать и гасить шум, чем высокоскоростной осевой вентилятор, работающий в условиях противодавления.

Уровень шума пропорционален пятой степени скорости вращения. Уменьшив число оборотов вполовину, можно снизить уровень шума примерно на 15 дБА — это гораздо более эффективный способ снижения шума, чем выбор между различными типами вентиляторов. Крупный медленно вращающийся осевой вентилятор почти всегда будет работать тише, чем небольшой быстро вращающийся радиальный вентилятор, пропускающий тот же объем воздуха.

Где подходит каждый тип вентилятора — определение границ применения

В каждой обзорной статье по этой теме осевые и радиальные области применения перечисляются в отдельных столбцах. Более уместный вопрос звучит так: Где проходит эта граница и что происходит, когда ваше приложение оказывается на ней?

Прежде чем приступать к изучению какого-либо списка, необходимо усвоить следующую логику выбора: если в вашей системе присутствуют препятствия — воздуховоды, фильтры, плотные массивы компонентов, длинные пути прохождения воздушного потока — вам следует остановить свой выбор на радиальных вентиляторах. Если же путь прохождения воздушного потока короткий, открытый и свободный от препятствий, осевые вентиляторы обеспечат вам больший расход воздуха при меньших затратах. Теперь примените эту логику к реальным промышленным сценариям.

Когда осевые вентиляторы являются очевидным выбором

Эти применения полностью соответствуют требованиям к осевым системам — низкое сопротивление системы, высокий спрос на объемы, компактность монтажа:

Охлаждение электрических шкафов и шкафов управления. Настенный осевой вентилятор, отводящий горячий воздух из шкафа, практически не встречает сопротивления — лишь небольшая решетка и, возможно, световой фильтр. Именно в таких условиях осевой вентилятор чувствует себя как рыба в воде. Стандартные размеры, такие как 120 мм и 172 мм, удовлетворяют большинству требований к промышленным шкафам, а для установки на открытом воздухе доступны степени защиты от IP44 до IP68.

Вентиляция теплиц и сельскохозяйственных помещений. Для прогона больших объемов воздуха через открытые конструкции требуется воздушный поток, а не давление. Осевые вентиляторы обеспечивают интенсивность воздухообмена, измеряемую в объемах здания в час.

Охлаждение нового энергетического оборудования. Шкафы для аккумуляторных батарей, корпуса солнечных инверторов и зарядные станции для электромобилей — это быстроразвивающиеся области применения, в которых тепловая нагрузка значительна, но пути прохождения воздушного потока коротки и прямые. К таким системам часто предъявляется еще одно дополнительное требование: вентилятор должен выдерживать условия наружной эксплуатации.

Охладительные башни и конденсаторные агрегаты. Основная задача проектирования — обеспечить высокую производительность при минимальном падении давления. Осевые вентиляторы позволяют достичь этого с самой низкой в отрасли стоимостью на кубический фут в минуту.

Когда радиальные вентиляторы — очевидный выбор

Эти сценарии не оставляют места для споров — осевой вентилятор здесь не подойдет:

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с системой воздуховодов. Каждый метр воздуховода, каждый изгиб, каждый клапан и фильтрующий блок увеличивают сопротивление. К моменту, когда воздух достигает самого удаленного вентиляционного отверстия в коммерческом здании, вентилятор уже преодолел статическое давление в сотни паскалей. Осевые вентиляторы просто не способны обеспечить достаточный воздушный поток в таких условиях.

Пылеудаление и транспортировка материалов. Для загрязнённых воздушных потоков, содержащих твердые частицы, требуется рабочее колесо с радиальными лопастями — конструкция типа «R-wheel», которая обладает самоочищающимися свойствами и способна выдерживать удары крупных частиц. Конструкции с лопастями, изогнутыми вперёд и назад, подвержены засорению; осевые лопасти подвергаются эрозии. Только центробежные насосы с открытыми радиальными лопастями разработаны специально для таких условий эксплуатации (Вентиляторы и воздуходувки).

Промышленная вытяжка дыма. Коррозионные газы, высокие температуры и необходимость надёжной вытяжки под высоким давлением делают эту область применения идеальной для радиальных вентиляторов. Химикоустойчивые покрытия на рабочем колесе и корпусе становятся дополнительным критерием выбора, выходящим за рамки самого типа вентилятора.

Системы вентиляции для медицинских учреждений и чистых помещений. Фильтры HEPA вызывают падение давления, которое может превышать 1 000 Па. Только центробежный вентилятор — как правило, с обратно изогнутыми лопастями, обеспечивающими высокую эффективность и стабильность работы — способен поддерживать сертифицированную производительность по воздуху при таком сопротивлении на протяжении всего срока службы фильтра.

Пограничная зона — когда подходит любой из типов

Вот та область, которой практически не уделяется внимания в сравнительных обзорах: статическое давление в системе в диапазоне примерно от 200 до 600 Па, относительно чистый воздух, отсутствие критических ограничений по монтажному пространству. В этой зоне технически приемлемы как осевые, так и радиальные вентиляторы, и выбор сводится к второстепенным факторам. Именно здесь решения о закупках становятся особенно интересными.

В эту пограничную зону входят среднегабаритные вентиляционные установки систем ОВКВ, вытяжные системы промышленных печей, наружные шкафы телекоммуникационных базовых станций и системы воздушных завес. Тип вентилятора не является решающим фактором для данного применения, поэтому выбор сводится не к вопросу «осевой или радиальный», а к вопросу «какой именно осевой или радиальный?»

Три вопроса для определения победителя в спорных ситуациях:

Условия окружающей среды. Подвергается ли установка воздействию высокой влажности, соленого воздуха, экстремальных температур или частых промывок? Если да, то лучше остановить свой выбор на радиальном вентиляторе благодаря его герметичной и прочной конструкции. Но что ещё важнее — независимо от типа вентилятора обязательно проверьте его класс защиты. Аксиальный вентилятор с степенью защиты IP68 и сертификатом C5 по испытанию в солевом тумане всегда прослужит дольше незащищённого радиального вентилятора при эксплуатации в прибрежных условиях.

Стабильность работы. Если ваша система работает в стабильной расчетной точке 90% большую часть времени, осевой вентилятор, работающий с максимальным КПД, может обеспечить наилучшую энергоэффективность. Если же нагрузки значительно колеблются — в связи с различными состояниями фильтров, сезонными изменениями спроса или использованием нескольких режимов работы — более плоская кривая КПД и характеристика мощности, исключающая перегрузки, у радиального вентилятора с обратно изогнутыми лопастями со временем позволят сэкономить больше средств.

Ограничения по площади. Когда важен каждый миллиметр, преимущество отдаётся линейной конструкции осевых вентиляторов. Однако если у вас достаточно места для спирального корпуса, прочность радиальных вентиляторов становится преимуществом, а не компромиссом.

За пределами технического паспорта — что необходимо проверять специалистам по закупкам

Два вентилятора с одинаковыми номинальными значениями расхода воздуха и статического давления могут иметь кардинально разный срок службы в эксплуатации. Разница заключается не в их конструктивных параметрах, а в том, как они изготовлены. Именно по этим четырём параметрам качество изготовления отличает оборудование промышленного класса от массовых моделей.

Материалы и качество изготовления

Рама вентилятора — это не просто корпус. Это теплотехнический и конструкционный элемент. Рамы из литого под давлением алюминия сплава ADC-12 гораздо лучше рассеивают тепло двигателя, чем пластиковые рамы, устойчивы к деформации при термоциклировании и обеспечивают зазор на кончиках лопастей, который напрямую влияет на производительность вентилятора. Что касается рабочего колеса, то пластик PBT с классом огнестойкости UL 94V-0 — самозатухающий в течение 10 секунд при воздействии вертикального пламени, без капания — является минимальным стандартом для медицинской отрасли, сектора новых источников энергии и любых других областей применения, где действуют нормы пожарной безопасности. Более дешевые пластики без этого класса огнестойкости станут причиной проблем, о которых ваш заказчик узнает во время аудита на соответствие нормативным требованиям.

Техника сварки — ещё один незаметный фактор, отличающий наши продукты. Лазерная сварка обеспечивает чистое соединение с высокой глубиной проварки, которое примерно на 30% прочнее, чем соединения, полученные методом электросопротивления, широко используемые в производстве с оптимизацией затрат. Лопасти вентиляторов, монтажные кронштейны и корпуса двигателей остаются прочно закреплёнными даже при вибрации и термических нагрузках, которые привели бы к ослаблению соединений, выполненных методом электросопротивления. Не менее важна и обработка поверхности: вентилятор, установленный в прибрежном хранилище аккумуляторных батарей без надлежащей антикоррозионной обработки, может покрыться ржавчиной уже через несколько месяцев. Испытания в солевом тумане по стандартам C4 (240 часов) или C5 позволяют отделить вентиляторы, способные выдержать эксплуатацию на открытом воздухе, от тех, которые этого не способны.

Подшипники и реальный срок службы

Подшипники являются основным фактором, определяющим срок службы вентилятора. По оценкам отрасли, более 60% случаев замены вентиляторов связаны с выходом из строя подшипников. Разница между шариковым подшипником от ведущего производителя, такого как японская компания NMB, и обычным втулочным подшипником не является незначительной: шариковый подшипник NMB, рассчитанный на 70 000 часов срока службы L10 при непрерывной работе при температуре 25 °C (режим S1), проработает без остановки примерно 8 лет. Недорогой втулочный подшипник в тех же условиях эксплуатации может выйти из строя в течение 18–24 месяцев.

Помимо марки подшипников, от класса изоляции двигателя и качества обмотки зависит, будут ли эти часы работы подшипников действительно достигнуты. Изоляция класса H, рассчитанная на непрерывную работу при температуре 180 °C, обеспечивает значительный запас прочности по сравнению с классом F (155 °C), который широко используется в китайском производстве. Добавьте к этому индивидуальное высоковольтное испытание 100% — экстремальное испытание на высокое напряжение 1800 В для каждой единицы, а не выборочное тестирование партии — и вы получите показатели надежности, которые невозможно оценить, опираясь только на технические характеристики.

Именно эти производственные детали позволяют на практике принимать решения в пограничной зоне. Когда заказ попадает в «серую зону», где подходит любой из типов вентиляторов, решающим фактором становится качество изготовления поставщика — техника сварки, класс подшипников, класс изоляции, протокол окончательных испытаний. Такой производитель, как ACDCFAN, чей промышленные радиальные вентиляторы переменного тока и Варианты радиальных вентиляторов постоянного тока оснащены подшипниками NMB, лазерно-сварными узлами и проходят испытания на высокое напряжение по стандарту 100% на каждом экземпляре на выходе с конвейера, предлагают кардинально иной продукт, чем поставщик, который закупает подшипники без бренда и проводит выборочные испытания 1 из 50 экземпляров. Даже если в технических паспортах обоих производителей указаны одинаковые значения расхода воздуха (CFM) и статического давления.

Классы защиты IP и защита от воздействия окружающей среды

Система классификации IP (Ingress Protection) определяет, каким воздействиям может противостоять ваш вентилятор. Первая цифра (0–6) обозначает степень защиты от пыли, вторая (0–9) — степень защиты от воды. При закупках для промышленности обычно используются следующие пороговые значения:

• IP44: Базовая защита от брызг — оборудование для использования в помещениях с контролируемыми условиями
• IP55: Защита от пыли и брызг воды — телекоммуникационные шкафы для установки на открытом воздухе, зарядные станции
• IP67: Пыленепроницаемый и водонепроницаемый при погружении на глубину до 1 метра в течение 30 минут — зоны промывки на предприятиях пищевой промышленности
• IP68: Пыленепроницаемость и возможность постоянного нахождения под водой — это самый высокий стандарт, требующий герметизации двигателя или конструкций с двойным уплотнением, которые не всегда доступны у всех производителей

Классы защиты IP отражают степень защиты от проникновения посторонних веществ, а не коррозионную стойкость. Для установки на открытом воздухе или в прибрежных районах необходимы оба параметра: класс защиты IP, соответствующий степени воздействия влаги, и сертификат по испытаниям в солевом тумане (C3, C4 или C5), соответствующий атмосферным условиям. Попросите поставщика предоставить оба сертификата, а не ограничивайтесь лишь заявлениями. Это позволит быстро отделить производителей, проводящих реальные испытания, от тех, кто ограничивается приблизительными оценками.

Сертификаты, имеющие значение в сфере глобальных закупок

Доступ на рынок не подлежит обсуждению. Маркировка CE для Европейского союза, регистрация UL для Северной Америки и сертификация TÜV для немецкого рынка и рынков европейских стран высокого ценового сегмента являются базовыми требованиями. Существенное различие между самостоятельным заявлением о соответствии CE и сертификацией TÜV, выданной третьей стороной, заключается в том, что первое представляет собой заявление самого производителя, а второе — подтверждено независимой испытательной организацией. Сертификат UL имеет публичный регистрационный номер, который можно проверить в базе данных UL Product iQ. Обратитесь к любому поставщику, заявляющему о наличии сертификации UL, с просьбой предоставить номер его досье.

Сертификация всего модельного ряда обходится дорого. По данным производителей, затраты на сертификацию всех моделей исчисляются миллионами юаней. Поставщик, вложивший средства в сертификацию всего модельного ряда по стандартам CE, UL и TÜV, уже прошел отбор в ходе самого процесса сертификации: программа испытаний, позволяющая получить эти знаки, выявляет конструктивные недостатки, которые в противном случае проявились бы в вашем оборудовании.

Как сделать правильный выбор — практический чек-лист для принятия решения

Эта таблица служит в качестве фильтра первого уровня. Для большинства промышленных применений она однозначно укажет одно направление. Если же это не так — если вы попадаете в пограничную зону, где могут подойти оба типа — то при принятии решения решающую роль играет не физика вентилятора, а качество изготовления. Именно в этом случае брендами подшипников, типами сварки, классами изоляции и сертификационными регистрациями становятся вашими реальными критериями выбора.

Если ваше применение предъявляет требования, выходящие за рамки стандартных каталожных характеристик — нестандартное напряжение, индивидуальные монтажные размеры, специальные сертификаты соответствия требованиям окружающей среды — сотрудничество с производителем, который предлагает полную инженерную поддержку по схемам OEM/ODM и может предоставить первый образец прототипа в течение нескольких дней, а не недель, сокращает сроки закупок с месяцев до недель. ACDCFAN предоставляет индивидуальные решения по вентиляторам с первыми образцами, напечатанными на 3D-принтере, за 10 рабочих дней, опираясь на собственный отдел исследований и разработок и 12-часовую техническую поддержку. Это практичный вариант, когда вашему оборудованию требуется вентилятор, которого пока нет ни в одном каталоге. (ACDCFAN — индивидуальные решения)

Список литературы

1. Вентиляторы и нагнетатели. «В чём разница между радиальным и осевым вентиляторами?» fansandblowers.com
2. Engineering Toolbox. «Типы вентиляторов — диапазоны производительности». engineeringtoolbox.com
3. ebm-papst. «Осевой, диагональный, центробежный: какой вентилятор подходит для какой области применения?» mag.ebmpapst.com
4. Panasonic Industrial. «Осевые и радиальные вентиляторы». panasonic.com
5. Envigaurd. «Центробежный вентилятор против осевого вентилятора». envigaurd.com
6. Mining Fan. «Осевые и центробежные вентиляторы: полное руководство». mining-fan.com
7. ACDCFAN. «Радиальный вентилятор переменного тока». acdcecfan.com
8. ACDCFAN. «Радиальный вентилятор постоянного тока». acdcecfan.com
9. ACDCFAN. «Центробежный вентилятор». acdcecfan.com
10. ACDCFAN. «Товары». acdcecfan.com
11. ACDCFAN. «Индивидуальные решения». acdcecfan.com
12. ACDCFAN. «Контакты». acdcecfan.com