Центробежные вентиляторы: устройство и принципы их работы

С увеличением объемов промышленного производства возникла необходимость в регулярной подаче воздуха для различных процессов. Бытовая сфера также не осталась в стороне — для обеспечения многих коммуникаций нужен постоянный приток свежего воздуха.

Эффективным решением этой задачи стал центробежный вентилятор, который способен самостоятельно обеспечивать необходимый объем воздуха. Но как он устроен и функционирует? Эти вопросы мы рассмотрим в данной статье.

Мы исследуем конструктивные особенности устройства, его возможности, области применения, а также лучших производителей, продукция которых представлена на рынке. Кроме того, мы предоставим рекомендации по выбору подходящей модели вентилятора.

Принцип работы: нагнетание и разрежение воздуха вентилятором

Вентилятор представляет собой механическую конструкцию, способную обрабатывать газовую смесь, увеличивая её удельную энергию для дальнейшего перемещения.

Такое устройство позволяет создавать эффект нагнетания или разрежения газа в пространстве, изменяя давление (механизм преобразования энергии).

Газовое давление возникает в результате хаотичного движения молекул газа, сталкивающихся со стенками замкнутого пространства, создавая на них давление.

Таким образом, чем выше скорость молекул, тем чаще происходят столкновения и соответственно, тем выше давление. Газовое давление — это одна из основных характеристик газа.

Центробежные вентиляторы являются наиболее простыми механическими устройствами, используемыми для вентиляционных систем, которые могут различаться по назначению, объему и типу перемещения воздуха.

Радиальные вентиляторы, или центробежные, позволяют реализовывать множество проектов по приточной и вытяжной вентиляции. Обычно их используют без воздуховодов.

Работой центробежного вентилятора управляет двигатель, мощность которого выбирается в зависимости от объема перемещаемого воздуха.

Центробежные вентиляторы производятся как для работы с чистым воздухом, так и для эксплуатации в горючих и сложных средах.

С другой стороны, каждый газ также имеет два дополнительных параметра: объем и температуру. Объем — это пространство, занимаемое газом. Температура газа — это термодинамическая характеристика, связывающая скорость молекул с давлением, создаваемым ими.

Эти параметры лежат в основе молекулярно-кинетической теории, которая подробно описывает все процессы, связанные с обработкой газов и газовых смесей.

Нагнетание представляет собой принудительное сосредоточение молекул в замкнутом пространстве сверх нормы. Например, нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет около 100 кПа (10^5 Па) или 760 мм рт. ст.

С увеличением высоты давление снижается, воздух становится разреженным.

Атмосферное давление — это вес столба воздуха над площадью поверхности. Измеряется барометром, при этом другие типы давления определяются манометром.

Разрежение — это обратный процесс нагнетания, при котором молекулы покидают замкнутую систему. Объём остается прежним, а количество молекул уменьшается, что приводит к снижению давления.

Эффект нагнетания необходим для принудительного перемещения воздуха. Также возможно перемещение воздуха из-за разрежения: молекулы движутся от областей с высокой концентрацией к областям с низкой.

Таким образом, осуществляется движение молекул газа.

Для определения скорости воздушного потока как снаружи, так и внутри зданий часто используют анемометр — незаменимый инструмент для проектирования вентиляционных систем.

Существует множество компоновок вентиляционных систем, которые можно условно разделить на несколько классов по различным параметрам:

1. По назначению. Вентиляторы общего назначения используются для простого перемещения газа, в то время как специальные вентиляторы предназначены для пневмотранспорта и работы с агрессивными газовыми смесями.
2. По скорости вращения. Вентиляторы бывают с низкой, средней и высокой частотой вращения.
3. По диапазону давления. Существуют устройства для генерации низкого (до 1 кПа), среднего (1–3 кПа) и высокого (более 3 кПа) давления.

Некоторые промышленные и бытовые процессы с применением воздуходувок происходят в экстремальных условиях. Поэтому к оборудованию предъявляются специфические требования.

Таким образом, можно выделить вентиляторы пылезащищенные, влагозащищенные, термостойкие, коррозиестойкие, искрозащитные устройства и системы для удаления дыма.

Более подробную информацию о типах вентиляторов можно найти в другой нашей статье.

Структура центробежного вентилятора

Система центробежной конструкции представляет собой нагнетательный механизм радиальной формы, способный генерировать давление в различных диапазонах.

Она предназначена для транспортировки одно- и многоатомных газов, в том числе химически активных веществ.

Центробежные вентиляторы используются в вентиляционных системах жилая и коммерческой недвижимости. Они обеспечивают подачу свежего воздуха и отвод вредных летучих соединений.

Двигатель и корпус устройства крепятся на сварной или литой раме вентиляционной системы. Внутри располагаются подшипники.

Рабочее колесо вентиляционного устройства представляет собой ступицу, жестко соединенную с диском.

Колесо радиального вентилятора насажено на вал, на котором имеются подшипники, а лопатки фиксируются на переднем и основном диске. Они могут быть загнутыми вперед, назад или в радиальном направлении.

Центробежные вентиляторы делятся на модели с правым и левым вращением. Направление вращения, как правило, можно изменить.

Вентиляторы с односторонним всасыванием имеют консольное размещение рабочего колеса, что обычно встречается в небольших конструкциях.

В случае с двухсторонним всасыванием центральное расположение колеса относительно подшипников — характерная черта крупных устройств.

Корпус изготавливается из металла или пластика, что называется защитным кожухом. Он защищает внутреннюю часть от пыли, влаги и других веществ, негативно влияющих на работоспособность устройства.

Качественные вентиляционные изделия всегда имеют определенный класс защиты. Степень защищенности (Ingress Protection) — это международный стандарт, который определяет, насколько надежно оборудование защищено от воздействия внешней среды.

Центробежные вентиляторы способны развивать значительно большее давление по сравнению с осевыми, так как передают порции воздуха, попадающего в барабан, с увеличенной энергией от входа к выходу.

Приводится в движение механизм электрическим мотором или двигателем внутреннего сгорания (чаще для промышленных моделей). Наиболее распространенным является электродвигатель, который приводит во вращение вал с крыльчаткой.

Существует несколько способов передачи вращения от мотора к импеллеру:

• эластичная муфта;
• клиноременная передача;
• бесступенчатая передача (гидравлическая или индуктивная муфта).

С широкой номенклатурой производителей, предлагающих уникальные системы с различными динамическими параметрами, пользователь имеет в распоряжении богатый ассортимент вентиляторов.

В корпусе находятся два канала: входной и выходной. Газовая смесь поступает в первый канал, проходит через камеру обработки и выходит из второго.

Благодаря активной работе разработчиков существует множество областей применения этих устройств:

• вентиляция и отопление в частных и многоквартирных домах;
• подача и очистка воздуха в нежилых зданиях;
• фильтрационные системы в агропромышленном комплексе;
• технологические процессы в различных отраслях легкой и тяжелой промышленности.

Кроме того, существуют возможности использования воздуходувок в системах пожаротушения и быстрой замены воздуха в замкнутых пространствах.

Эти устройства способны работать с высокотемпературными газами, поэтому производители обязаны указывать в технической документации соответствие своего оборудования международным стандартам.

Доказанная простота и надежность конструкции центробежного механизма обладают рядом неоспоримых преимуществ:

• высокая надежность и выдающаяся производительность;
• простота и удобство в обслуживании техники;
• гарантия безопасности во время интеграции и использования устройств;
• небольшие затраты на энергоресурсы и ремонт в случае поломки.

Также следует отметить, что воздуходувки работают достаточно тихо, что позволяет использовать их в бытовых условиях. Центробежные вентиляторы, благодаря отсутствию прямого контакта рабочих элементов внутри камеры, способны служить очень долго.

Характеристика рабочего цикла устройства

Рассмотрим базовый принцип функционирования центробежной воздуходувки радиального типа. Специалисты выделяют две основные конфигурации вентиляторов: с осевым и радиальным расположением входа, через который попадает воздушный поток.

Это влияет, прежде всего, на способ установки вентилятора в систему и почти не затрагивает общую производительность.

Радиальные вентиляторы могут применять как атмосферный воздух, поступающий из помещения, так и воздух, идущий по воздуховоду (эффект уравновешивания областей с различным давлением).

Осевое входное отверстие характерно для воздуходувок общего назначения, тогда как радиальное – для магистральных устройств.

На первой стадии рабочего цикла воздух начинает движение вдоль поверхности быстро вращающегося импеллера, где лопасти крыльчатки разделяют его на маленькие порции, которые поступают в рабочую камеру.

В этом месте происходит накопление воздуха, то есть сжатие воздушной массы в ограниченный объём.

Корпус устройства имеет свои собственные конструктивные особенности.

Известны две наиболее распространённые формы корпуса:

• круглые;
• спиралевидные.

Круглая форма корпуса характерна для вентиляторов, которые способны перемещать большое количество воздуха в короткие сроки. Спиралевидный корпус, в свою очередь, подходит для устройств, обеспечивающих дополнительное сжатие и создание среднего либо высокого давления.

На втором этапе происходит нагнетание воздуха в рабочую камеру. При фиксированном объёме, по мере увеличения массы молекул газа, возрастает количество их столкновений, а значит и скорость. Следовательно, повышается и давление газа.

Форма и количество лопастей играют важную роль. Все виды импеллеров проходят тестирование в аэродинамических трубах для определения оптимальных эксплуатационных условий.

На финальном этапе сжатый воздух выводится из рабочей камеры через выходное отверстие. Далее он поступает в центральный воздуховод и перемещается в нужном направлении.

Процесс создания разрежения происходит аналогично, но в обратном порядке. Воздух забирается из воздуховода или замкнутого пространства, где необходимо создать область с пониженным давлением, и выбрасывается в окружающую среду или другое ограниченное пространство.

Характеристики центробежного вентилятора

Компрессорные системы обладают рядом конструктивных и динамических отличий, которые следует учитывать при их выборе и интеграции в вентиляционные системы.

К характеристикам относятся:

• конструкция воздуходувки;
• тип моторного устройства;
• блок управления;
• установка крыльчатки и способ передачи вращения от мотора;
• угол, под которым расположены входной и выходной патрубки;
• материал изготовления компонентов, габариты и вес устройства.

Эксперты также обращают внимание на соответствие изделий международным стандартам: ISO/IEC, ГОСТ, уровни защиты IP, директивы ATEX и другое.

Что касается динамических характеристик, то они включают технические параметры работы воздуходувки: создаваемое давление, перепад давления, скорость и максимальную температуру газа, частоту вращения вала и уровень звукового давления, а также КПД и мощность мотора.

Создаваемое давление – наибольшее значение, которое может достичь вентилятор в номинальном режиме работы.

Формулы: P_v — полное давление, P_sv — статическое давление, P_dv — динамическое давление.

Перепад давления – разница между входным и создаваемым давлением (в барах).

Объёмный расход воздуха – это количество газовой смеси, перемещающейся за единицу времени (производительность). В большинстве случаев измеряется в м³/ч для отечественных производителей и в литрах/мин для зарубежных.

Частота вращения – это число полных оборотов крыльчатки за определённый промежуток времени. Она вычисляется в шт/с или Гц. Важно помнить, что нагрузка на воздуховод не должна превышать 75% от максимальной мощности.

Длительная работа в условиях перегрузки с высокой частотой вращения может привести к перегреву вентилятора и его поломке. Этот процесс можно контролировать с помощью регуляторов скорости вращения.

Шумовое давление – это уровень шума, создаваемого вращающимися частями и трением воздуха о металл. Уровень измеряется на расстоянии трех метров от источника, когда вентилятор работает на максимальной нагрузке. Шум является важным фактором при выборе устройства для постоянного использования.

Большинство вентиляторов комплектуются шумоподавляющими устройствами. Допустимые уровни шума составляют не более 50 дБа для жилых помещений и 75 дБа для промышленных.

Одним из шумопонижающих вариантов является безлопастный вентилятор.

Коэффициент полезного действия вентилятора определяется как произведение трёх перечисленных ниже коэффициентов:

• потери в воздушном потоке;
• утечки через щели конструкции;
• механический КПД устройства.

Общий КПД центробежных вентиляторов колеблется от 0.7 до 0.85, в то время как для осевых (канальных) вентиляторов этот показатель не превышает 0.95. При выборе радиального вентилятора следует учитывать запас мощности электродвигателя на уровне 1.2, то есть следует выбирать мотор мощностью на 20% больше, чем необходимо.

Мощность мотора вентилятора рассчитывается по формуле:

N = (Q*P)/(102*3600*КПД),

где Q — производительность (объёмный расход воздуха), P — создаваемое давление.

Выбор вентилятора в соответствии с требованиями

Подбор вентиляционного оборудования для промышленных объектов (цеха, ангары) представляет собой интересный и сложный процесс, который лучше доверить специалисту. Особенности вентиляции производственных помещений детально рассмотрены в других материалах.

Для обычных квартир и частных домов уже разработаны комплексные решения. В общем, для квартиры с 2-3 комнатами может быть предложена следующая архитектура вентиляционной системы:

• в жилых помещениях устанавливаются проветриватели, количество которых зависит от площади и числа жителей;
• на кухне и в ванной монтируются вытяжные диффузоры, а также прокладываются воздуховоды к приточно-вытяжному оборудованию.

Центробежный вентилятор включает в себя блок управления, фильтрующую систему для очистки воздуха, электродвигатель и сам радиальный вентилятор.

Для описанной системы вентиляции подойдут настенные вентиляторы серии ЦФ, производимые компанией Вентс с производительностью до 120 м³/ч.

Современный рынок вентиляционного оборудования предлагает широкий выбор зарубежных производителей: Systemair, Soler&Palau, OSTBERG, Rosenberg, HELIOS, Maico, Ruck Ventilatoren GmbH, AeroStar, Blauberg, Elicent, Rhoss, Frapol, CMT CLIMA, HygroMatik GmbH, Winterwarm, Tecnair LV, AERIAL GmbH, MITA.

Продукция этих компаний станет отличным решением для задач вентиляции различного масштаба.

Не хуже в качестве и надежности оборудования отечественные производители такие как Вентс, Элком, Домовент и Веза. Если у вас остались сомнения по поводу произведённых расчётов или выбора конкретного устройства, рекомендуем обратиться в службу поддержки любой из компаний.

Если вы владелец частного дома на 1-2 этажа или производственного/коммерческого здания аналогичного размера (ресторан, склад, столовая, кафе, офис), обязательно учитывайте объем помещений, частоту воздухообмена, длину и сечение магистральных воздуховодов.

Воздуходувки многозонального типа или крыши вентиляционные системы, такие как КРОМ от компании Веза, вентиляторы классов ВН от Вентс и аналоги, отлично удовлетворят потребности в вентилировании и удалении дыма.

Не забывайте обращать внимание на дополнительные функции центробежных вентиляторов и их возможность интеграции в различные системы кондиционирования.

Так, радиальные воздуходувки могут комплек Toshiba’s. Но вы учитываете в данной ситуации факторы, как индивидуальные ограничения и ваши потребности.

• регулируемыми таймерами и интервальными переключателями, фотодатчиками и сенсорами влажности;
• регуляторами скорости и индикаторами состояния;
• датчиками перегрузки электромотора и отсутствия электрического питания в сети;
• пружинными или резиновыми амортизаторами.

Если вентилятор находится внутри квартиры или дома, его можно закрыть съёмной декоративной панелью из алюминия или пластика, чтобы он гармонировал с интерьером.

Для многих пользователей важным моментом при выборе вентилятора становится уровень шума. Вы ищете тихий вентилятор для ванной? Рекомендуем ознакомиться с рейтингом бесшумных моделей.

Итоги и полезное видео на тему

В следующем видео специалисты компании Элком подробно рассказывают о центробежных вентиляторах:

Вот отличный пример установки бытового вентилятора в ванной комнате:

Еще один вариант монтажа маломощного вентилятора в квартире:

Классический центробежный вентилятор представляет собой результат многолетнего опыта в области проектирования и производства вентиляционного оборудования. Это не просто эффективное решение для промышленного сектора, но и идеальный инструмент для перемещения воздуха в жилых и офисных пространствах.

Вы размышляете над покупкой центробежного вентилятора? Или, возможно, заметили какие-то несоответствия в предоставленном материале? Не стесняйтесь задавать вопросы и прояснять технические детали в разделе комментариев.

А может быть, вы уже установили такой вентилятор в ванной комнате? Устраивает ли вас его работа? Верно ли вы подобрали мощность устройства для вашего помещения? Присылайте фотографии своего вентилятора и делитесь своими отзывами.

Видео:

Разборка канального вентилятора. Прямоточный центробежный промышленный вентилятор.