Устройство, работа вентиляторов

Вентиляторы являются самыми распространенными уст­ройствами, применяемыми для перемещения газообразных сред при относительно низких давлениях. Можно гордить­ся тем, что вентиляторы были изобретены в России (1835 г.) и впервые были применены для вентиляции се­ребряных рудников на Алтае, на сахарных заводах стра­ны. За свою почти 170-летнюю историю эти устройства настолько внедрились в промышленность и быт, что сейчас вентиляторы являются одним из наиболее распространен­ных аппаратов.

По рекомендации СЭВ 3649 - 72 воздуходувные маши­ны, обеспечивающие полное давление до 30 кПа, относятся к вентиляторам. В настоящее время наиболее распростра­нены радиальные (центробежные) и осевые вентиляторы.

Радиальный вентилятор (рис. 12.5) состоит из спирального корпуса (кожуха или улитки) с входным и выпускным отверстиями, рабочего колеса турбинного типа с лопатка­ми, расположенными в корпусе. Колесо через вал соедине­но с электродвигателем 6, установленным на станине 5. В некоторых случаях связь двигателя с колесом осущест­вляется через клиноременную передачу.

 

Рис. 79. Радиальный (центробежный) вентилятор: 1 - кожух; 2 - рабочее колесо; 3 - лопатки рабочего колеса; 4 - ось вентилятора; 5 - станина; 6 - электродвигатель; 7 - выхлопной патрубок; 8 - фланец всасывающего патрубка

 

Работа радиальных вентиляторов основана на превра­щении центробежных (массовых) сил в силы поверхностные (статическое давление). Это достигается вращением рабо­чего колеса, в результате чего газовая среда, увлекаемая лопатками, приобретает энергию и скорость, равную ско­рости движения лопаток, и затем направляется к выхлопному патрубку. При этом у всасывающего патрубка созда­ется разрежение, за счет чего и обеспечивается непрерыв­ное движение среды через аппарат.

В зависимости от создаваемого давления радиальные (центробежные) вентиляторы в соответствии с ГОСТ 5976—73 классифицируют на вентиляторы низкого давле­ния (1000 Па), среднего давления (до 3000 Па) и высокого давления (до 15000 Па).

Осевой вентилятор (рис. 12.6) состоит из кожуха, рабоче­го колеса с лопастями. В отличие от центробежного, у осе­вого вентилятора лопасти располагаются радиально и име­ют форму, близкую к форме пропеллера. Рабочее колесо осевого вентилятора, как правило, устанавливается на валу электродвигателя. При вращении рабочего колеса объемам газа сообщается ускорение за счет удара быстро вращающихся лопастей, в результате чего газовая среда перемещается в осевом направлении. Средняя скорость ее при преодолении небольших аэродинамических сопротив­лений равна приблизительно 0,25 окружной скорости ло­пасти.

Рис. 12.6. Осевой вентилятор: 1 – кожух; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – электродвигатель

 

 

Осевые вентиляторы имеют ряд преимуществ перед ра­диальными. Они просты по конструктивному оформлению, обладают меньшей металлоемкостью (массой на единицу мощности), позволяют достигать более высоких к. п. д. за счет относительно малых внутренних потерь, они реверсивны, т. е. обеспечивают движение воздуха в прямом и обратном направлениях при изменении направления вра­щения рабочего колеса.

В практике работы металлургических печей более рас­пространены радиальные вентиляторы. Они широко приме­няются для нагнетания воздуха, используемого для горе­ния различных топлив, для обеспечения циркуляции га­зов, для отсоса продуктов сгорания, запыленных газов и других случаях.

Осевые вентиляторы, как развивающие большую про­изводительность при относи­тельно низком запасе энер­гии, используются только при ремонтах печей для ор­ганизации ускоренного ох­лаждения, а также для вен­тиляции рабочих мест с мощными источниками тепловыделения во время выпуска металла из печей и пр.

Поэтому основное внимание следует уделить особенно­стям работы радиальных вентиляторов. Для такого анали­за наибольший интерес представляет характеристика вентилятора, которая устанавливает связь между упругостью дутья р и производительностью вентиляторов Q при данной конст­рукции и определенном числе оборотов рабочего колеса n (рис. 12.7). В характеристике вентилятора существуют осо­бые точки: а - холостого хода и b - холостого расхода. Первая имеет координату р = р_mах и Q = 0, что означает - вся энергия, подведенная к рабочему колесу, расходуется на создание статического давления при нулевом расходе через вентилятор. Такой режим работы вентилятора на­блюдается, если полностью закрыть сечение выхлопного патрубка. Вторая точка b с координатами p = 0 и Q = = Q_max характеризует такой режим работы, при котором вентиля­тор работает самостоятельно (без подключения к какой-либо сети или устройству). При этом энергия, подведенная на вал рабочего колеса, расходуется на перемещение газо­вой среды и компенсацию потерь при движении этой среды через сам вентилятор. Все возможные рабочие варианты лежат между этими точками и определяются положением линии p = f(Q).

Рис. 12.7. Анализ характеристик вентилятора

 

 

Характеристика вентилятора зависит от конструктивных особенностей вентиляторной установки, режима ее работы (числа оборотов вращения колеса), условий работы (на­гнетание, отсос, плотность газа, схемы соединений).

Полное давление, создаваемое вентилятором, зависит от конструкции вентилятора и его рабочего колеса, окруж­ной скорости колеса - u и плотности транспортируемой газовой среды r. Оно равно

(12.8)

Здесь m - манометрический коэффициент, характеризую­щий степень достижения предельно возможного, теорети­ческого давления. Обычно m зависит от конструкции коле­са и лопаток на нем. Значения m лежат в пределах 0,8 0,9.

Окружная скорость может быть выражена через число оборотов n, об/мин и диаметр колеса d, м, тогда u = pdn/60 м/c, и величина p_полн будет равна p_полн = mp²d²n²r/60² или p_полн = kd²n²r, где k = mp²/60².

Таким образом, полное давление, создаваемое вентиля­тором, пропорционально плотности, квадратам диаметра колеса и числа оборотов. После введения обозначения k₁ = kd²r можно записать

(12.9)

Если требуется получить иное давление, например, p’_полн, то число оборотов следует изменить до p'_полн = k₁n₁². Из последних двух соотношений следует

(12.10)

т. е. отношение полных давлений, создаваемых вентилято­ром в разных режимах, равно отношению квадратов числа оборотов. Это значит, что для увеличения давления, напри­мер, вдвое, число оборотов следует увеличить в раза, или при увеличении числа оборотов вдвое полное давление будет увеличено в 4 раза.

Производительность вентилятора зависит, кроме пара­метров, определяющих полное давление, также и от пло­щади эквивалентного отверстия S_э, имеющего аэродинами­ческое сопротивление, равное сопротивлению сети, на кото­рую работает вентилятор. Эта связь выражается формулой Q = (2)^1/2mS_эpdn/60 или, если объединить все постоянные, k₂ = (2)^1/2mS_эpd/60, то

Q = k₂ n, (12.11)

т. е. количество воздуха, проходящего через вентилятор, изменяется прямо пропорционально числу оборотов. При увеличении производительности вентилятора вдвое число его оборотов следует также увеличить в два раза, что сле­дует из формулы

Q/Q ₁' = n/n₁. (12.12)

Потребляемая вентилятором мощность зависит от про­изводительности вентилятора и того полного давления, ко­торое создается при перемещении газовой среды. Работа по перемещению газа будет равна A = Q p_полн, а мощность, квт

N = Q p_полн/102. (12.13)

Используя соотношения (12.9) и (12.11), можно полу­чить

N = k₃n³ . (12.14)

Здесь k₃ = k₁×k₂/102. Согласно этой зависимости увеличе­ние числа оборотов в 2 раза приведет к росту мощности, потребляемой вентилятором, в 8 раз.

Работа вентилятора, как и работа любой машины, ха­рактеризуется коэффициентом полезного действия - h. Изменения мощности, к. п. д. показано на том же рис. 12.7. Приведенные на этом рисунке зависимости недостаточны для анализа системы, состоящей из вентилятора и сети, которую он обслуживает. Поэтому указанные зависимости должны быть дополнены характеристикой сети, устанавли­вающей связь между аэродинамическим сопротивлением сети и расходом (производительностью) газа в ней, т. е. D p_S = f(Q). Характеристика сети учитывает все виды со­противлений на пути движения потока, например, при на­гнетании от выхлопного патрубка вентилятора до конечно­го сечения сети, на которую работает вентилятор, и рассчитывается при разных расходах потока через сеть. Урав­нение, описывающее характеристику сети, близко к урав­нению параболы. Располагая характеристикой сети, можно легко определять потери давления в сети при данном рас­ходе потока или же решать обратную задачу - находить расход потока при заданной потере давления. Характерис­тики вентилятора и сети (см. рис. 12.7) при своем пересече­нии образуют еще одну особую точку с, отражающую условия устойчивой совместной работы системы. Действи­тельно, если условия работы системы будут характеризо­ваться точками с₁^' и c₁^'' при производительности Q₁, то полное давление p^'_полн будет больше сопротивления сети D p'_S. Это значит, что избыток энергии в вентиляторе будет расходоваться на перемещение большего количества газа, что приведет к росту аэродинамического сопротивления. Такой нестационарный режим в работе системы будет су­ществовать до тех пор, пока полное давление и сопротив­ление при новой производительности не выровняются. На рис. 12.7 это проявится в перемещении точек c₁' и c₁'' по своим характеристикам до их совмещения, т. е. до точки с. Условия работы системы, характеризуемых точками c₁' и c₁'', вообще не реальны, так как в этом случае полное дав­ление, которое может обеспечить вентилятор, меньше со­противления сети, и переместить данное количество газа Q₂ вентилятор попросту не сможет.

Таким образом, чтобы изменять условия работы системы, изменять производительность, давление газовой среды у по­требителя, необходимо найти такие меры, которые воздей­ствовали бы либо на характеристики сети, либо на харак­теристики вентилятора, сохраняя каждый раз устойчивой работу всей системы.

В настоящее время для регулирования параметров газовой среды используются четыре способа воздействия на характерис­тики совместной работы вентилятора и сети.

Рассмотрим их на следующем примере. После устойчи­вой работы в некотором режиме требуется перейти на новый режим с более низкой производительностью. Этот случай до­вольно распространен; он встречается на практике всякий раз, когда в процессе работы металлургической печи уменьшается расход топлива, что и вызывает необходи­мость уменьшить подачу воздуха на печь, т. е. снизить производительность вентилятора.

1. Изменение характеристики сети за счет изменения ее сопротивления с помощью дроссельной заслонки (рис. 12.8,а) или шибера. При повороте заслонки в положение б увеличивается аэродинамическое сопротивление этого уча­стка воздухопровода, а характеристика сети перемещается в сторону больших давлений дутья и меньшей производи­тельности. Новые условия будут соответствовать точке с₂. Положение этой точки относительно прежней характерис­тики позволяет заключить, что значительная часть энергии воздушного потока расходуется на преодоление сопротивления дроссельной заслонки, которое характеризуется отрезком ординаты с₂ - с₂^'. Естест­венно при этом будет повышена в соответствии с (12.13) и потребляемая вентилятором мощность.

2. Изменение числа оборотов рабочего колеса вентиля­тора (рис. 12.8,б). В этом случае подвергается изменению характеристика вентилятора при неизменной характерис­тике сети. Характеристики вентиляторов, меняясь, остают­ся практически параллельными друг к другу. Соответствия новым условиям работы вентилятора, отмеченные на ри­сунке точками, будут достигнуты при более низких числах оборотов рабочего колеса. Этот способ регулирова­ния расхода воздуха является наиболее экономичным, так как требуемым условиям сети всегда подбираются соответ­ствующие параметры работы вентилятора.

3. Изменение площади свободного сечения всасываю­щего патрубка, достигаемого поворотом лопаток жалюзей. При этом, как и в предыдущем случае, характеристика се­ти остается прежней, а изменяется лишь характеристика вентилятора (рис. 12.8, в). Эти изменения не касаются точки холостого хода a, которая при любой степени закрытия жалюзей сохраняет свою ординату при прочих равных условиях. Точка же холостого расхода б при регулирова­нии с помощью жалюзей будет "плавать" от Q = 0 до Q = = Q_max. Характеристики вентилятора в этом случае "ве­ером" расходятся из точки а. Таким образом, всегда можно подобрать такую степень закрытия жалюзей, при которой достигаются устойчивые условия работы вентиля­тора и сети, отображаемые точками с_i (i = 1, 2, 3) на рис. 12.8, в.

4. Этот способ по существу является комбинирован­ным, так как использует идеи предыдущих двух (рис. 12.8, г). Воздействие на характеристики вентилятора осуществляется "грубо" изменением числа оборотов (например, при переключении обмотки с "треугольника" на "звезду"), а в пре­делах данного числа оборотов - изменением степени за­крытия жалюзей. Следовательно, всегда могут быть подо­браны параметры работы вентилятора в новых условиях (точки с_i (i = 1, 2, 3) на рис. 12.8, г).

Наиболее широко в заводских условиях применяется первый способ, несмотря на его неэкономичность. Решаю­щую роль в его распространении сыграла простота и высо­кая надежность регулирования расхода.

В практике работы металлургических печей могут воз­никнуть ситуации, когда один вентилятор не может обес­печить работу сети по заданным параметрам упругости дутья и производительности. В таких случаях прибегают к использованию нескольких вентиляторов, соединяя их па­раллельно или последовательно.

При параллельном соединении (рис. 12.9, а) вентиляторы могут иметь различные характеристики. Их суммарная характеристика определяется сложением производительностей каждого вентилятора при одной и той же упругости дутья, так как давление, развиваемое вентиляторами при их параллельной работе, всегда одинаково. Если характе­ристика сети представлена линией I, то из анализа рис. 12.9, б следует, что режимы работы вентиляторов при совместной работе (точка А) существенно отличаются по произ­водительности от режимов работы вентиляторов, харак­терных для одиночной работы каждого вентилятора (точки А₁ и A₂). Такого рода различие наблюдается при всех характеристиках сети, лежащих вправо от характеристи­ки сети, представленной кривой II. При дальнейшем увели­чении крутизны характеристики (кривая III), параллельная работа вентиляторов на одну сеть нецелесообразна, так как один вентилятор - 2 может обеспечить большую производительность, чем оба вентилятора при совместной работе. Если сохранить условия совместной работы (кри­вая III), то это приведет к тому, что воздух будет двигать­ся через вентилятор 1 в обратном направлении, чем и объ­ясняется снижение суммарной производительности. Следу­ет отметить, что при включении в параллельную работу двух вентиляторов с одинаковыми характеристиками отме­ченные выше особенности и ограничения не наблюдаются.

Рис. 12.9. Анализ совместной работы двух вентиляторов при их параллельном соединении: а – схема соединения; б – характеристики вентиляторов и сети

 

При последовательном соединении (рис. 12.10,а) вентиля­тор - 1 подключается к всасывающему патрубку вентиля­тора - 2; последний выдает воздух в сеть. Суммарная характеристика в этом случае строится с учетом того, что производительность вентиляторов одинакова, а общее дав­ление равно сумме давлений, развиваемых каждым венти­лятором при совместной их работе. При характеристике сети, представленной линией I, рабочее состояние системы будет характеризоваться параметрами точки A: произво­дительность будет несколько больше, чем производитель­ность любого из двух вентиляторов при раздельной их работе на ту же сеть, при этом существенно возрастает давление на выходе вентилятора - 2. Такое положение будет соблюдаться для всех характеристик сетей, лежащих вле­во от характеристики сети II. Рабочая, точка В характеризует предельный случай, когда эта точка совпадает с рабо­чей точкой этой же характеристики сети и вентилятора - 2. Отсюда следует, что в этом случае производительность вентиляторов при их последовательной работе будет рав­на производительности только одного вентилятора - 2; другой вентилятор - 1 не развивает при этом давления, т. е. ра­ботает с нулевой производительностью, хотя и потребляет значительную мощность. Из этого анализа следует важ­ный вывод: для характеристик сети, расположенных вправо от характеристики II, последовательная работа вентилято­ров с данными характеристиками не эффективна.

Рис. 12.10. Анализ совместной работы двух вентиляторов при их по­следовательном соединении: а - схема соединения; 6 - характери­стики вентиляторов н сети

 

Более глубокий анализ рациональности использования вентиляторов, работающих в системах с параллельным или последовательным их соединением, должен выполняться с привлечением данных об изменении к. п. д. вентиляторов в зависимости от производительности и способа соедине­ния. Так, при параллельной работе вентиляторов

(12.15)

а при последовательной -

(12.16)

Выбор вентиляторов осуществляется по величинам, полу­ченным в результате расчета сети Q и D p_S. При расчете сопротивлений сети учитываются все сопротивления от выхлопного патрубка вентилятора до конечного сечения сети. Например, для воздухопровода, предназначенного для по­дачи воздуха в печь, таким сечением является "срез" го­релки в случае отопления печи газом с помощью горелок низкого давления. Естественно, выбор вентилятора должен быть произведен с учетом условий, связанных с эксплуата­цией вентиляторной установки - уровень шума, располо­жение спирального корпуса, способы соединения и пр.

Величина Q должна соответствовать фактическому объему перемещаемых газов. Так, для горячих газов с температурой Т

Q_p = Q₀T /273. (12.17)

Давление вентилятора при отличии плотности газа от стан­дартной, за которую принята плотность воздуха r₀ = 1,2 кг/м³ должно быть пересчитано по формуле:

p_p = p r₀/r. (12.18)

Расчетные значения Q_p и p_p и являются исходными данными для выбора вентиляторов.

Для подбора вентиляторов используются каталоги, в которых указаны параметры работы и типоразмеры раз­личных вентиляторов, универсальные характеристики кон­кретных вентиляторов при различных частотах вращения, обезличенные характеристики с номограммами, безразмер­ные характеристики, диаграммы на основе критериев быст­роходности и габаритности.

В качестве безразмерных характеристик используются (ГОСТ 10921—74):

коэффициент производительности -

коэффициент давления - y = p/(ru²/2);

коэффициент мощности - l = 1000N/(ru³/2).

В последнее время в практику оценки условий работы вентиляторов внедряются критерий быстроходности

и габаритности

применение которых, наряду с коэффициентами произво­дительности и давления, обеспечивает выбор вентилятора для обслуживания той или иной сети.