Характеристика сети. Рабочая точка. Выбор вентиляторов.

Вентиляторы работают обычно в системе воздухопроводов различной протяженности, называемой сетью. Уравнение характеристики сети, по которой транспортируется газ с помощью вентилятора, аналогично такому же уравнению для центробежного насоса (2.30) и выражает зависимость между расходом проходящего по воздухопроводу газа Q и потерей давления в сети

, (2.55)

где Р_ст – гидростатическое давление, обусловленное подъемной силой, возникающей при разности плотностей перекачиваемого газа и воздуха и разности давлений в объемах всасывания и нагнетания . При перекачке атмосферного воздуха и .

Характеристика сети (2.56) принимает вид

(2.56)

и называется параболической.

Давление, развиваемое вентилятором, расходуется исключительно на преодоление сопротивлений сети, кривая характеристики сети (2.56) будет проходить через начало координат (рис 2.55, а).

При наложении характеристики сети 1 на построенную в том же масштабе характеристику вентилятора 2 в пересечении этих кривых (Рис 2.55, б) получается рабочая точка А. Она определяет подачу воздуха Q_А в воздухопровод и развиваемое при этом давление P_А, т. е. определяет режим работы вентилятора.

Параметры сети – расход Q_А, соответствующее ему давление P_А и плотность перемещаемого газа – являются исходными данными для выбора вентилятора, который должен работать в этой сети. Поскольку давление P_А определяется гидравлическим расчетом сети, то необходимо учитывать, что если величина потерь полного давления в сети не превышает 2 % абсолютного полного давления перед вентилятором, то при выборе вентилятора нет необходимости рассматривать всасывающий и нагнетательный участки сети отдельно. Достаточно знать суммарные потери давления во всей системе. Если потери давления в сети превышают указанную выше величину, то необходимо задавать потери во всасывающем и нагнетательном участках сети отдельно.

Необходимо также учитывать, что вблизи входного и выходного сечений вентилятора на расстоянии примерно в два калибра и меньше не должно быть каких-либо элементов, нарушающих равномерность заполнения входного и выходного сечений вентилятора (диффузоры с большим углом раскрытия, поворотные участки в виде колен).

Если их установка необходима, то при выборе вентилятора целесообразно пользоваться аэродинамической характеристикой вентилятора с соединенными элементами. Если таких характеристик нет, то присоединенные элементы следует относить к элементам сети, и при расчете суммарного сопротивления сети учитывать потери давления в них.

Кроме параметров Q_А и P_А, при выборе вентилятора должны быть заданы компоновка вентилятора и тип привода. В некоторых случаях дают жесткие ограничения габаритных размеров, частоты вращения вентилятора и его КПД.

Выбрать оптимальный вентилятор – значит определить его тип (схему), размер и частоту вращения, при которых выполнялись бы все требования технического задания. Как правило, вентилятор должен иметь наибольший возможный КПД, минимально возможные габаритные размеры и массу. Для обеспечения области параметров Q и P вентилятор должен иметь требуемые регулировочные характеристики.

Наиболее просто выбрать вентилятор по параметрам Q и P по каталогам, в которых приведены характеристики и области работы серийных вентиляторов различных типоразмеров. Откладывая на координатных осях сводного графика значения Q и P (приведенные к нормальным условиям) и проводя нормали к осям, получаем точку пересечения, попадающую в поле рабочих параметров, определяющую их необходимый типоразмер и частоту вращения вентилятора. Если вентилятор имеет непосредственный привод с электродвигателем, то он обеспечивает режимы, соответствующие его характеристике при частоте вращения электродвигателя. Для расширения диапазона рабочих режимов вентилятора данного типоразмера используют его модификации с различными рабочими колесами, диаметры которых больше или меньше номинального на 5…10 %.

При определении размера (номера) вентилятора следует стремиться к тому, чтобы заданным значениям давления и производительности соответствовало наибольшее значение КПД (не ниже 0,9 от максимального).

Индивидуальные характеристики в каталогах фирм-изготовителей приводятся для нормальных условий чистого воздуха, поэтому при подборе вентилятора и электродвигателя необходимо:

1) производительность вентилятора Q (с учетом утечек или подсосов воздуха) принимать с поправочным коэффициентом на заданное или расчетное количество воздуха;

- для стальных и пластмассовых воздухопроводов длиной до 50 м – 1,10;

- в остальных случаях – 1,15;

2) полное давление Р принимать:

- для нормальных условий Р = Р_Р;

- для условий, отличающихся от нормальных условий чистого воздуха,

, (2.57)

где Р_р – расчетное давление в сети, Па; ρ_г – плотность газа (при t = 20 ºС,

В = 1,013·10⁵ Па), кг/м³; ρ_в – плотность воздуха при тех же условиях, кг/м³;

- для сетей пневмотранспорта

, (2.58)

где К – опытный коэффициент, зависящий от вида транспортируемого материала, размера и формы частиц, скорости и характера движения, диаметра воздухопровода и других факторов; μ – массовая концентрация перемещаемой смеси, равная отношению массы пыли к массе чистого воздуха;

3) потребляемую мощность на валу электродвигателя определять по следующим формулам:

- при перемещении чистого воздуха при нормальных условиях

, (2.59)

где – КПД вентилятора, выбирается по характеристике; – КПД передачи,

- при перемещении воздуха с высокой температурой

, (2.60)

- при перемещении воздуха с механическими примесями

, (2.61)

4) установочную мощность электродвигателя определять по формуле

, (2.62)

где – коэффициент запаса мощности ( =1,05…1,20 – для осевых вентиляторов, =1,10…1,50 – для центробежных вентиляторов).

Изменение режимов работы вентиляторов. Изменять режим работы вентилятора можно различными способами:

- изменением частоты вращения вала вентилятора;

- дросселированием на входе и выходе вентилятора;

- направляющими аппаратами различной конструкции;

- параллельной и последовательной работой вентиляторов.

Первый способ требует применения электродвигателей с регулируемой частотой вращения. Законы подобия колес вентиляторов описываются уравнениями (2.31) – (2.33), умноженными на отношение плотностей ρ/ρ₁ перекачиваемого газа при первоначальных и измененных условиях, а для расчета потребной частоты вращения колес вентилятора применимы законы пропорциональности (2.35). Так как характеристика сети выходит из начала координат, то она является геометрическим местом точек, подчиняющихся (2.35), т. е. параболой подобных режимов работы вентиляторов.

Изменение подачи вентилятора дросселированием осуществляется с помощью шибера на всасывающей или напорной линии, устанавливаемого не ближе двух калибров диаметра воздухопровода к вентилятору. Этот способ применяется очень широко ввиду его конструктивной простоты.

Направляющие аппараты различных конструкций используются для изменения режимов работы вентиляторов с большой подачей (дутьевые вентиляторы, дымососы).

Известны различные типы направляющих аппаратов: осевой (Рис 2.56), упрощенный, радиальный, цилиндрический, встроенный и др.

Управляющий аппарат устанавливается на входе в вентилятор. Воздух, проходя через направляющий аппарат, закручивается лопатками тем сильнее, чем больше угол их установки. При этом меняются регулировочные характеристики.

На рис 2.57 приведены регулировочные характеристики Q-Р центробежного вентилятора, полученные при различных углах установки лопаток направляющего аппарата (НА) (α_НА = -20…60º). Увеличение углов α_НА приводит к уменьшению производительности – давления, мощности и КПД вентилятора.

Закручивание потока против направления вращения колеса (α_НА< 0) нерационально, т. к. при этом происходит увеличение мощности без существенного повышения давления, создаваемого вентилятором. На регулировочных характеристиках обычно приводят линии равных значений КПД для оценки области экономичного регулирования.

На рис 2.58 показано сопоставление эффективности рассмотренных способов регулирования работы вентиляторы.

Вышерассмотренные способы регулирования работы вентиляторов связаны, как правило, с изменением их расхода. В диапазоне отношений минимального расхода вентилятора к расчетному (глубине регулирования) от 1,0 до 0,95 допускается регулировать расход вентилятора дросселем. При более низких значениях глубины регулирования пользоваться дросселем неэкономично.

Применение осевого направляющего аппарата целесообразно при глубине регулирования от 1,0 до 0,5.

Лучшие результаты дает изменение частоты вращения вала рабочего колеса вентилятора, все чаще применяемое на практике и энергоэкономичное при любой глубине регулирования. Кроме того, этот вид регулирования может быть полностью автоматизирован.

Наиболее эффективно изменение частоты вращения вала рабочего колеса вентилятора с помощью частотного преобразователя за счет изменения частоты электрического тока.

На практике, благодаря простоте технической реализации, применяется также параметрическое регулирование частоты вращения вала рабочего колеса вентилятора изменением подводимого к электродвигателю напряжения при неизменной частоте (50 Гц). Однако этот метод применим лишь на электродвигателях с высоким сопротивлением ротора, т. к. обычные асинхронные электродвигатели не могут регулироваться таким способом. Если вентилятор по производительности и напору не удовлетворяет заданным условиям, то вместо одного можно установить два или несколько вентиляторов, соединенных либо параллельно, либо последовательно.

Параллельное соединение вентиляторов (Рис 2.59, а) применяется в том случае, когда один из них не в состоянии обеспечить требуемую производительность.

Для параллельной работы обычно применяются машины одинаковых размеров или геометрически подобные. Воздух из обоих вентиляторов I, II подается в один воздухопровод, или же оба вентилятора параллельно отсасывают воздух из одной и той же емкости (среды). Так, например, параллельная работа вентиляторов осуществляется в котельных установках большой мощности. Вентилятор с двусторонним всасыванием представляет, по существу, параллельное соединение двух вентиляторов, у которых колеса помещены в общий кожух.

Каждый из параллельно работающих вентиляторов (Рис 2.59, б) подает в сеть одинаковое количество газа. Исходя из этого и построена суммарная характеристика МС совместно работающих вентиляторов. На диаграмме отрезок ОЕ характеризует производительность, a ED – КПД каждого из параллельно работающих вентиляторов. Если работает только один вентилятор (другой отключен шибером 2, Рис 2.59, а), то его производительность ОG несколько больше, чем ОЕ при параллельном соединении, но работа его будет менее экономичной, т.к. КПД будет теперь соответствовать ординате FG. Давление IG в этом случае также будет меньше, чем BE – при параллельной работе вентиляторов.

Как видно из Рис 2.59, б, параллельная работа вентиляторов эффективна при пологой характеристике сети: производительность OL при совместной работе вентиляторов значительно больше производительности одного вентилятора OG. При крутой характеристике сети, что бывает при значительных сопротивлениях, подключение второго вентилятора неэффективно: производительность Q_б совместно работающих вентиляторов мало отличается от производительности Q_а при работе одного вентилятора.

Последовательное соединение вентиляторов (рис 2.60, а) применяют в тех случаях, когда один из них не в состоянии преодолеть противодавление сети. Для последовательной работы двух вентиляторов следует нагнетательный патрубок одного из них соединить с всасывающим патрубком другого, который подает газ в сеть. При последовательной работе вентиляторов с характеристиками 1, 2 (рис 2.60, б) получается суммарная характеристика 3. Расход воздуха через один вентилятор при изолированной работе в сети характеризуется отрезком ОС₁.

Общая же производительность вентиляторов при совместной работе характеризуется отрезком ОС₂. При этом производительность каждого из них равна ОС₂, поскольку весь воздух, подаваемый первым вентилятором, проходит через второй вентилятор. На Рис 2.60, б видно, что производительность ОС₂ двух последовательно работающих вентиляторов несколько больше производительности ОС₁ одного при его изолированной работе. Общее давление, хотя и больше давления, создаваемого только одним вентилятором, но меньше суммарного давления при изолированной работе вентиляторов: А₂C₂ < 2А_lC₁.

Оба вентилятора могут соединяться непосредственно с одним электродвигателем, который в этом случае должен иметь два свободных конца вала. Возможна также последовательная работа вентиляторов, приводимых от разных двигателей.