Три типа осевых вентиляторов — пропеллерные, трубчато-осевые и лопастные осевые

Не все осевые вентиляторы одинаковы. В отрасли выделяют три различных типа, и понимание различий между ними — залог правильного выбора вентилятора для конкретной задачи. Основная схема проста: с каждым следующим уровнем повышается степень контроля над направлением потока воздуха и эффективностью его подачи.

Вентилятор с пропеллером — простейшая конструкция

Вентилятор с пропеллером представляет собой самую простую конструкцию осевого вентилятора — по сути, это набор лопастей, установленных внутри кольца, панели или простой решетки без окружающих воздуховодов. Именно с этим типом вентиляторов люди сталкиваются чаще всего в повседневной жизни: настольные вентиляторы, напольные вентиляторы, потолочные вентиляторы и простые настенные вытяжные вентиляторы — все они относятся к категории вентиляторов с пропеллером.

Поскольку отсутствует воздуховод, ограничивающий поток воздуха, значительная часть воздуха уходит обратно вокруг концов лопастей — это явление называется «рециркуляцией на концах лопастей». Это снижает КПД вентилятора с пропеллером: типичная установка без воздуховода работает с КПД около 50% или ниже. Взамен она отличается простотой конструкции и низкой стоимостью. Вентиляторы с пропеллером обеспечивают высокий расход воздуха при очень низком давлении, что делает их подходящими для вентиляции открытых пространств, где воздух просто необходимо переместить с одной стороны стены или панели на другую с минимальным сопротивлением.

К числу типичных областей применения относятся: вытяжная вентиляция стен складских помещений, циркуляция воздуха в теплицах, вентиляция животноводческих помещений и циркуляция воздуха в градирнях. Диаметр лопастей варьируется от примерно 12 дюймов у небольших настенных вентиляторов до 48 дюймов и более у крупных сельскохозяйственных установок, а производительность по воздушному потоку составляет от нескольких сотен до десятков тысяч CFM (кубических футов в минуту).

Трубчатый осевой вентилятор — с воздуховодом для более точного направления воздушного потока

Возьмите пропеллерный вентилятор, поместите его в цилиндрический канал или трубу — и вы получите трубно-осевой вентилятор. Канал физически препятствует утечке воздуха вокруг концов лопастей, заставляя его проходить прямо через рабочее колесо. Результатом является значительное повышение КПД — трубно-аксиальные конструкции обычно достигают показателей от 60% до 70%, что примерно на 10–20 процентных пунктов выше, чем у их аналогов с открытым пропеллером.

Благодаря воздуховоду этот вентилятор также совместим с подключенными системами воздуховодов. Вместо того чтобы выдувать воздух в открытое пространство, трубно-осевой вентилятор может прогонять воздух по вентиляционному каналу, отводить выделения из рабочего места, оборудованного вытяжной шапкой, или служить встроенным усилительным вентилятором в более длинных системах воздуховодов. Поток воздуха остается более сконцентрированным и направленным по сравнению с пропеллерным вентилятором.

Эти вентиляторы способны выдерживать статическое давление до примерно 500 Па (примерно 2 дюйма водяного столба), что позволяет удовлетворить большинство потребностей в области общей промышленной вентиляции. Трубно-осевые вентиляторы используются в вытяжных системах окрасочных камер, туннельной вентиляции, заводских воздуховодах и везде, где необходимо преодолеть умеренное сопротивление в воздуховоде без перехода на значительно более дорогой тип вентилятора. Зазор между концами лопастей и стенкой воздуховода является критическим параметром — меньший зазор обеспечивает более высокий КПД, но требует более жестких производственных допусков.

Лопастной осевой вентилятор — наиболее эффективная конструкция

Ванно-осевой вентилятор представляет собой дальнейшее развитие концепции трубно-осевого вентилятора за счет добавления неподвижных направляющих лопаток — так называемых лопаток статора — расположенных либо перед рабочим колесом, либо за ним. Эти лопатки выполняют одну конкретную задачу: они выпрямляют вихревой спиралеобразный поток воздуха, выходящий из рабочего колеса, и преобразуют кинетическую энергию вращения в полезное статическое давление.

Это классический пример рекуперации энергии в гидродинамике. Без направляющих лопаток вращательная составляющая воздушного потока теряется — это энергия, затраченная двигателем, но не использованная для продвижения воздуха вперёд. Направляющие лопатки улавливают эту энергию и перенаправляют её в осевом направлении, повышая КПД вентилятора до значений в диапазоне от 80% до 85%. На этом уровне хорошо спроектированный осевой вентилятор с лопастками приближается по КПД к высококлассному центробежному вентилятору — но при этом имеет более компактную конструкцию в линейном исполнении.

Аксиально-лопастные вентиляторы способны создавать статическое давление до примерно 2 500 Па (около 10 дюймов водяного столба), что расширяет сферу их применения до областей, где традиционно использовались центробежные решения. Они являются предпочтительным выбором для охлаждения центров обработки данных, основных систем вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), охлаждения промышленных процессов, а также для любых ситуаций, когда требуется обеспечить высокий расход воздуха при умеренном сопротивлении системы с минимально возможным энергопотреблением. Направляющие лопатки могут располагаться перед рабочим колесом (входные направляющие лопатки, или IGV) или после него (выходные направляющие лопатки, или OGV), причем каждая конфигурация предполагает определенные компромиссы с точки зрения давления и шумовых характеристик.

Осевой вентилятор или центробежный вентилятор — какой из них вам нужен?

Если вы ищете информацию об осевых вентиляторах, чаще всего возникает следующий вопрос: «Чем они отличаются от центробежных вентиляторов — и какой из них лучше выбрать?» Это вполне уместный вопрос, ведь эти два типа вентиляторов совершенно не похожи друг на друга, работают по разным принципам и подходят для разных задач.

А вот краткая версия в одном предложении: Осевой вентилятор пропускает большой объём воздуха прямо через себя при низком давлении; центробежный вентилятор всасывает воздух в центре и выбрасывает его наружу под углом 90 градусов, создавая гораздо более высокое давление за счёт меньшего объёма воздушного потока.

Подумайте об этом так. Осевой вентилятор работает по принципу бытового электрического вентилятора — он выдувает широкий, плавный поток воздуха вперёд. Центробежный вентилятор работает скорее как фен — воздушный поток у него сконцентрированный, мощный и способен преодолевать значительное сопротивление. Правильный выбор зависит от того, что находится между вентилятором и местом, куда нужно направить воздух.

Ниже приведено сравнение этих двух типов вентиляторов по параметрам, которые на практике имеют наибольшее значение:

Чтобы определить, какой тип подходит для вашей задачи, ответьте на следующие три вопроса:

• Какова длина воздуховода? Если воздуху предстоит пройти по воздуховодам длиной более 15–20 метров — или через несколько изгибов, фильтров или заслонок — совокупное сопротивление системы, скорее всего, превысит тот уровень, с которым осевой вентилятор способен эффективно справляться. В таком случае стоит обратить внимание на центробежные модели.
• Сколько места доступно? Осевые вентиляторы устанавливаются в линию и помещаются в ограниченные пространства, в которых никогда не удалось бы разместить спиральный корпус центробежного вентилятора. Если занимаемая площадь при монтаже является жестким ограничением, осевой вентилятор по умолчанию выигрывает.
• Каково общее сопротивление системы? Это наиболее технически правильный способ принять решение. Рассчитайте общий статический перепад давления в вашей системе (термодинамическое сопротивление в воздуховодах + фитинги + фильтры + решетки + любые другие препятствия). Если общий перепад составляет менее примерно 500 Па, то трубчатый осевой вентилятор является оптимальным выбором. При значениях от 500 до 2500 Па следует рассмотреть возможность использования лопастного осевого или центробежного вентилятора малой мощности. При значениях выше 2500 Па центробежный вентилятор почти наверняка будет более целесообразным выбором.

Существует также промежуточный вариант, о котором стоит знать: вентилятор смешанного типа, в котором осевое рабочее колесо сочетается с корпусом центробежного типа, что позволяет создавать умеренное давление при приемлемом объеме воздуха. Он занимает нишу между двумя основными категориями и может оказаться достойным внимания, если ваша задача находится прямо на границе между ними.

Где применяются осевые вентиляторы? — Основные области применения в различных отраслях промышленности

Осевые вентиляторы можно встретить повсюду. От крошечного 40-миллиметрового вентилятора, охлаждающего процессор ноутбука, до рабочего колеса размером с автомобиль, вращающегося на вершине градирни — везде действуют одни и те же законы физики: воздух движется по прямой линии под действием вращающихся лопастей аэродинамической формы. Различаются лишь масштаб, условия эксплуатации и требования к производительности.

Большинство областей применения осевых вентиляторов можно отнести к одной из трёх функциональных категорий: охлаждение электронного оборудования, вентиляция помещений или обеспечение промышленных процессов. Такая классификация более полезна, чем простой перечень, поскольку позволяет выявить закономерности, а не просто запоминать конкретные случаи использования.

Общая черта всех этих областей применения проста: осевые вентиляторы выбирают в тех случаях, когда необходимо прогонять большой объём воздуха по относительно открытому каналу при слабом или умеренном сопротивлении. Если в конкретной ситуации используются длинные воздуховоды, плотные фильтры или наблюдается высокое противодавление, вы выбрали не тот тип вентилятора — и это подводит нас к вопросу о том, как правильно его выбрать.

Как выбрать осевой вентилятор — основные важные технические характеристики

Понимание того, что такое осевой вентилятор и где он применяется, является полезной базовой информацией. Однако если вам предстоит самостоятельно выбрать, приобрести или заменить такой вентилятор, вам необходимо знать, какие технические характеристики имеют значение и как их интерпретировать.

Прежде чем углубляться в отдельные технические характеристики, стоит понять одно важное понятие: вентилятор не работает в одной фиксированной точке производительности. У каждого вентилятора есть кривая производительности — кривая P-Q — которая описывает, какой расход воздуха он может обеспечить при любом заданном статическом давлении. У вашей системы есть кривая сопротивления — системная кривая, — которая показывает, какое давление требуется для проталкивания воздуха при заданном расходе. Фактическая точка работы находится на пересечении этих двух кривых. Выберите вентилятор, кривая которого совпадает с кривой вашей системы при необходимом вам расходе воздуха, и он будет работать. Если же вы выберете вентилятор, ориентируясь исключительно на показатель CFM в условиях свободного воздуха и игнорируя сопротивление вашей системы, вы рискуете сильно разочароваться.

Исходя из этого принципа, предлагаем вашему вниманию три параметра, на которые стоит обратить внимание.

Расход воздуха (CFM) — какой объем воздуха необходимо прогонять?

CFM (кубические футы в минуту) — это наиболее понятный технический показатель вентилятора, и обычно именно его проверяют в первую очередь. На рынках, где используется метрическая система, эквивалентным показателем являются кубические метры в час (м³/ч), причем 1 CFM ≈ 1,7 м³/ч. Это число показывает объем воздуха, который может прогонять вентилятор, но важнейшим моментом является при каких условиях.

Производители обычно указывают показатель CFM в условиях свободного воздуха: максимальный расход воздуха, который вентилятор способен обеспечить при отсутствии сопротивления как перед ним, так и за ним. В реальных условиях эксплуатации всегда присутствует некоторое сопротивление — решетка, фильтр, участок воздуховода или даже просто геометрия корпуса, в котором установлен вентилятор. Это сопротивление снижает фактический расход воздуха по сравнению с номинальным значением в условиях свободного воздуха, причем иногда весьма значительно. Вентилятор с номинальным расходом 1 000 кубических футов в минуту (CFM) в условиях свободного воздуха может обеспечивать расход всего 600 кубических футов в минуту (CFM) после установки за жалюзийной панелью с пылевым фильтром.

Для задач охлаждения — наиболее распространённой причины, по которой выбирают осевой вентилятор, — практической отправной точкой служит формула расчёта теплоотдачи:

Например, если в электрическом шкафу находится оборудование, рассеивающее 500 ватт, и вы хотите поддерживать внутреннюю температуру не более чем на 10 °C выше температуры окружающей среды, вам потребуется примерно (1,76 × 500) ÷ 10 = 88 кубических футов в минуту (CFM). На практике следует добавить запас прочности в 1,5–2 раза с учётом загрузки фильтров, незначительных препятствий и реальных колебаний — в результате целевой показатель составит примерно 130–175 кубических футов в минуту.

Диапазон производительности осевых вентиляторов по расходу воздуха весьма широк. 40-миллиметровый вентилятор постоянного тока в электронном устройстве может обеспечивать расход воздуха от 5 до 20 кубических футов в минуту (CFM). 120-миллиметровый вентилятор для компьютерного корпуса обычно обеспечивает расход от 50 до 100 кубических футов в минуту (CFM). В промышленных условиях крупные лопастные осевые вентиляторы в вентиляционно-кондиционерных установках могут обеспечивать расход 50 000 кубических футов в минуту (CFM) и более, а самые большие пропеллерные вентиляторы градирен могут превышать 500 000 кубических футов в минуту (CFM).

Статическое давление — почему «сильнее» не всегда лучше

Если CFM — это объем воздуха, то статическое давление — это сила, действующая на него; оно измеряется в дюймах водяного столба (дюйм H₂O) или паскалях (Па), причем 1 дюйм H₂O ≈ 249 Па. Именно этот параметр зачастую ставит в тупик большинство покупателей, приобретающих устройство впервые, поскольку он менее интуитивно понятен, чем расход воздуха, и имеет более серьезные последствия, чем может показаться на первый взгляд.

Осевой вентилятор по своей сути является устройством низкого или среднего давления. Пропеллерный вентилятор, установленный в открытой стеновой панели, может работать при давлении менее 0,1 дюйма H₂O (25 Па). Трубчатый осевой вентилятор, прогоняющий воздух по несложному воздуховоду, справляется с давлением до примерно 2 дюймов H₂O (500 Па). Осевой вентилятор с лопастным колесом в верхнем ценовом сегменте может достигать 10 дюймов H₂O (2500 Па). За пределами этого предела вы попадаете в область центробежных вентиляторов.

Почему это важно? Потому что каждый элемент в воздуховоде создает сопротивление, и это сопротивление быстро суммируется. Прямой участок воздуховода может создавать сопротивление от 0,05 до 0,1 дюйма H₂O на каждые 10 футов. Каждый 90-градусный коленообразный изгиб добавляет примерно от 0,02 до 0,06 дюйма H₂O в зависимости от диаметра воздуховода и скорости воздушного потока. Стандартный панельный фильтр может поглощать от 0,2 до 0,5 дюйма H₂O в чистом состоянии — и значительно больше по мере загрязнения пылью. Впускная решетка, противопожарная заслонка, шумопоглотитель — каждый из этих элементов постепенно уменьшает ваш доступный запас давления.

Кривая P-Q связывает все эти факторы воедино. Для конкретного вентилятора с ростом статического давления расход воздуха уменьшается в соответствии с предсказуемой кривой. Эта кривая приведена в каталоге вентилятора. Ваша задача — оценить общее сопротивление системы при желаемом расходе воздуха, нанести эту точку на график и убедиться, что она находится в пределах рабочей зоны вентилятора — в идеале ближе к области максимального КПД кривой, а не на её краях.

Если расчетное давление в системе превышает примерно 500 Па (2 дюйма H₂O), стоит задуматься, сможет ли лопастной осевой вентилятор обеспечить столь высокое давление или же центробежный вентилятор будет более подходящим вариантом. Эксплуатация осевого вентилятора в верхней части его кривой давления приводит к шумной и неэффективной работе, а иногда и к аэродинамическому сваливанию, при котором воздушный поток становится нестабильным, и вентилятор начинает работать с перегрузками.

Типы двигателей и условия эксплуатации — переменного тока, постоянного тока, электродинамические двигатели и не только

После того как вы определили требования к расходу воздуха и давлению, остаётся решить, чем будет приводиться в действие вентилятор и в каких условиях он должен работать.

Осевые вентиляторы оснащаются тремя основными типами двигателей, и различия между ними стали более заметными по мере того, как энергоэффективность приобрела все большее значение при проектировании оборудования:

Выбор двигателя всё чаще определяется совокупными затратами на весь срок эксплуатации, а не просто сравнением первоначальной стоимости. Осевой вентилятор с двигателем постоянного тока может стоить в два-три раза дороже аналогичной модели с двигателем переменного тока, но в случае вентилятора, работающего круглосуточно в центре обработки данных, экономия на электроэнергии позволяет окупить разницу в цене менее чем за 18 месяцев.

Помимо двигателя, выбор материалов и степени защиты определяется условиями эксплуатации:

• Температура: Стандартные осевые вентиляторы работают в диапазоне температур примерно от -30 °C до +60 °C. Для применения в условиях высоких температур — например, при вытяжке воздуха из печей, топковых камер или моторных отсеков — требуется цельнометаллическая конструкция с высокотемпературными подшипниками и изоляцией класса F или H; некоторые специализированные модели рассчитаны на непрерывную работу при температурах до 150 °C.
• Влага и пыль: Класс защиты IP (Ingress Protection) указывает, каким воздействиям может противостоять вентилятор. Класс IP44 обеспечивает базовую защиту от брызг. Классы IP55 или IP56 обычно используются для наружных установок, подверженных воздействию дождя и пыли. Класс IP68 — полная пыленепроницаемость и способность выдерживать длительное погружение в воду — предлагается специализированными производителями для сред с промывкой, морских применений и экстремальных наружных условий.
• Коррозия: Конструкции из стандартного алюминия или окрашенной стали подходят для обычных условий в помещениях. В условиях воздействия солевого тумана (прибрежные и морские зоны) требуется использование алюминия с покрытием, нержавеющей стали или специальных антикоррозионных обработок. В условиях воздействия химических веществ — в лабораториях, на химических заводах — может потребоваться использование FRP (армированного волокном пластика) или других неметаллических материалов.
• Краткий обзор материалов: Пластик (PBT, класс UL 94V-0) для систем охлаждения электронного оборудования, где важна экономичность; литой под давлением алюминий для общепромышленного применения — легкий, коррозионно-стойкий и обладающий высокой теплопроводностью; сталь для конструкций, подвергающихся высоким нагрузкам; а также стеклопластик (FRP) или специальные сплавы с покрытием для сред с агрессивными химическими веществами или в условиях солевого тумана.

В качестве практического контрольного списка перед утверждением технических требований убедитесь, что рассматриваемый вами вентилятор имеет необходимые сертификаты для вашего рынка: CE для Европейского союза, UL для Северной Америки, TÜV для Германии и других стран мира, а также соответствие директиве RoHS для любого оборудования, продаваемого на рынках с регулируемыми требованиями. С точки зрения управления качеством сертификация завода-изготовителя по стандарту ISO 9001 является базовым показателем соблюдения стабильных стандартов производства.

Инженерам и специалистам по закупкам, занимающимся подбором осевых вентиляторов для эксплуатации в сложных условиях — включая водонепроницаемость класса IP68, устойчивость к высоким температурам до 150 °C и линейки продукции, сертифицированные по стандартам CE, UL и TÜV, — компания ACDCFAN предлагает полный Ассортимент осевых вентиляторов опираясь на более чем 20-летний опыт производства и возможности по индивидуальной настройке в рамках моделей OEM/ODM. Узнайте больше на сайте www.acdcecfan.com.

Список литературы

• AMCA International. «Публикация AMCA № 201 — Вентиляторы и системы». Доступно по адресу: https://www.amca.org/resources/publications/
• Йоргенсен, Р. (ред.). «Техника вентиляторов»: справочник инженера по вентиляторам и их применению, 9-е издание. Howden Buffalo.
• Википедия. «Осевой вентилятор». Доступно по адресу: https://en.wikipedia.org/wiki/Axial_fan
• ACDCFAN. «Guangzhou Guanxie Fan Manufacturing Co., Ltd. — официальный сайт». Доступно по адресу: https://www.acdcecfan.com/
• ACDCFAN. «Продукция — осевые вентиляторы и системы охлаждения». Доступно по адресу: https://www.acdcecfan.com/products/