Charakterystyki wentylatorów

Transkrypt

1 Charakterystyki wentylatorów Charakterystyki wymiarowe Do charakterystyk wymiarowych zalicza się: - charakterystykę sprężu całkowitego Δp = f(q), - charakterystykę sprężu statycznego Δp st = f(q), - charakterystykę mocy N = f(q), - charakterystykę sprawności η = f(q). Charakterystyki wentylatora promieniowego z łopatkami zagiętymi w przód Rys Charakterystyki wymiarowe wentylatora promieniowego z łopatkami zagiętymi w przód ( przy n = 730 obr/min, γ = 1,2 kg/m 3 ). 1

2 Charakterystyki wentylatora promieniowego z łopatkami zagiętymi do tyłu Rys Charakterystyki wymiarowe wentylatora promieniowego z łopatkami zagiętymi w tył ( przy n = 730 obr/min, γ = 1,2 kg/m 3 ). Charakterystyki wentylatora osiowego Rys Charakterystyki wymiarowe wentylatora osiowego przy n = 1450 obr/min i γ = 1,2 kg/m 3. 2

3 Rys Charakterystyka wentylatora osiowego przy różnych stałych prędkościach obrotowych wirnika od 980 do 1450 obr/min. Charakterystyki bezwymiarowe Charakterystyki wymiarowe geometrycznie podobnych wentylatorów mogą być sprowadzone do jednej bezwymiarowej charakterystyki dla całej serii wentylatorów podobnych. Rys Charakterystyka bezwymiarowa wentylatora promieniowego ψ=f(φ), η=f(φ), λ =f(φ). 3

4 Inny rodzaj charakterystyki bezwymiarowej wentylatorów podobnych przedstawiono na rys. 13.6, gdzie w układzie współrzędnych Δp i c wyl (prędkość wypływu gazu z otworu wylotowego wentylatora) znajdują się krzywe u 2 =const oraz η=const; ponadto w tablicy podane są numery wentylatorów, przynależna średnica zewnętrzna D 2 wirników i F wyl. Wybór wentylatorów przedstawia się następująco. Dla podanego sprężu wentylatora Δp na krzywej η max znajduje się wartość c wyl (m/s), po czym oblicza, się powierzchnie otworu wylotowego F wyl = Q/c wyi (m 2 ); wartość ta służy do wyboru z tablicy numeru wentylatora. Rys Charakterystyka bezwymiarowa wentylatora promieniowego Δp = f(c wyl ). Praca wentylatora jako ssawy Niezależnie od rodzaju pracy (sprężanie czy zasysanie) wysokość podnoszenia H = Δp/y Wentylatora (w metrach słupa gazu) i jego wydajność przy stałej prędkości obrotowej są stałe. Również statyczna wysokość podnoszenia wentylatora niezależnie od rodzaju pracy jest stała H st = Δp st /y = const. Na podstawie tego równania można wyprowadzić następujący wzór ważny przy niewielkich sprężach, jakie występują w wentylatorach: gdzie: P a - ciśnienie atmosferyczne, kg/m 2, P 1 - ciśnienie absolutne ssania przy pracy wentylatora jako ssawy, kg/m 2, P 2 - ciśnienie absolutne sprężania przy pracy wentylatora polegającej na zasysaniu powietrza atmosferycznego i tłoczeniu powyżej ciśnienia atmosferycznego, kg/m 2. 4

5 Rys Wyznaczenie charakterystyki przepływu wentylatora działającego jako ssawa, Δp st = f (Q) - charakterystyka wentylatora tłoczącego gaz, Δp' st = f,(q) - charakterystyka wentylatora działającego jako ssawa Regulacja wydajności wentylatorów promieniowych Regulacja dławieniowa Zmiana wydajności wentylatora może być przeprowadzona przez dławienie przepływu gazu w przewodzie tłocznym i ssawnym. Przedstawione zasady regulacji dławieniowej pomp za pomocą zasuwy wbudowanej w przewód tłoczny obowiązują również do wentylatorów. 5

6 Regulacja dławieniowa wentylatorów na tłoczeniu podobnie jak pomp jest nieekonomiczna i należy jej unikać. Wielkość strat energii przy dławieniu gazu w przewodzie tłocznym nie jest jednakowa we wszystkich typach wentylatorów odśrodkowych. Rys Charakterystyki porównawcze przepływu Δp = f(q) i mocy N = φ(q) wentylatorów promieniowych: - z łopatkami zakrzywionymi ku przodowi - Δp = f 1 (Q), N =φ 1 (Q), - z łopatkami zakończonymi promieniowo - Δp = f 2 (Q), N =φ 1 (Q), - z łopatkami zakrzywionymi ku tyłowi - Δp = f 3 (Q), N =φ 2 (Q), Regulacja dławieniowa wentylatorów na ssaniu Rys Konstrukcja charakterystyki przepływu wentylatora przy regulacji wydajności przez dławienie przepływu gazu w przewodzie ssawnym, Δp = f 1 (Q) - charakterystyka wentylatora, Δp rs = f 2 (Q) - charakterystyka przepływu dławionego przewodu ssawnego Δp = f 3 (Q) - charakterystyka wentylatora przy zdławionym przepływie gazu w przewodzie ssawnym. 6

7 Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej Ten sposób regulacji jest ekonomiczny. Zasady, zostały wyjaśnione na poprzednim wykładzie przy omawianiu wpływu zmian prędkości obrotowej na podstawowe parametry wentylatora. Do przeliczenia wartości Q, Δp oraz N po zmianie prędkości obrotowej z n na n służą wzory: Przy założeniu, że: η η Rys Schemat napędu wentylatora za pośrednictwem sprzęgła hydraulicznego, 1 - silnik elektryczny, 2 - sprzęgło hydrauliczne, 3 - wentylator, 4 - zbiornik oleju, 5 - pompa zębata olejowa, 6 chłodnica. 7

8 Regulacja za pomocą kierownicy przedwirnikowej Ten sposób regulacji podobnie jak regulacja przez zmianę prędkości obrotowej polega na zmianie charakterystyki wentylatora. Z równania podstawowego wentylatorów wynika, że spręż wentylatora można zmieniać przez zmianę prędkości c u0, co z kolei wymaga zmiany kąta α 0 dopływu gazu do krawędzi wlotowej łopatek. Kąt dopływu α 0 może być zmieniany za pomocą kierownicy umieszczonej przed wlotem wirnika. Rys Zmiany trójkąta prędkości u wlotu wirnika przy regulacji wydajności wentylatora za pomocą kierownicy wlotowej Rys Kierownica osiowa. 1 - cięgno, 2 - centralny wspornik, 3, 5 - sworznie, 4 - łopatka kierownicza 6 - osłona kierownicy, 7 - pierścień ustawczy, 8 - dźwignia, 9 - pierścień łożyskowy. Rys Mechanizm regulacyjny łopatek kierowniczych. 1 - wentylator, 2,4 - cięgna, 3 - dźwignia równoramienna, 5 - siłownik, 6 - ucho pociągowe, 7 - pierścień ustawczy, 8 - łopatka kierownicza. 8

9 Rys Wpływ ustawienia kierownicy na charakterystykę wentylatora i parametry punktu pracy. Kierownice regulacyjne dzielą się na osiowe i promieniowe Rys Schemat kierownicy promieniowej. Rys Schemat kierownicy promieniowej uproszczonej 9

10 Regulacja za pomocą przestawnej przegrody Sposób tej regulacji polega na zmianie przekrojów kanałów międzyłopatkowych za pomocą przestawnej przegrody. Są dwa rodzaje przestawnych przegród: - przegroda przechodząca przez kanały międzyłopatkowe w postaci tarczy (rys a) obracając się razem z wirnikiem, posiadającej odpowiednio wycięte otwory na łopatki, - przegroda nie przechodząca przez kanały międzyłopatkowe i nie obracająca (rys b) się z wirnikiem. Q th = π D b c m Rys Schematy przegród przestawnych: a) przechodzącej przez łopatki wirnika, b) nie przechodzącej przez łopatki wirnika, 1 - wirnik wentylatora, 2 - przestawna przegroda Rys Wpływ ustawienia przestawnej przegrody na charakterystykę wentylatora i parametry punktu pracy. 10

11 Regulacja mieszana Rys Przebieg regulacji mieszanej przez dławienie (w przewodzie tłocznym) i przez zmianę prędkości obrotowej, Δp=f(Q),n n, Δp=f'(Q),n - charakterystyki przepływu wentylatora przy n n i ń, Δp r = f 1 (Q), Δp r =f 4 (Q) - charakterystyki przewodu przy niezdławionym i dławionym przepływie gazu; P n, P 1, P 2, P 3 - punkty pracy wentylatora Rys Przebieg regulacji mieszanej przez dławienie (w przewodzie tłocznym) oraz przez zastosowanie przestawnej przegrody (dla uzyskania zmiennego sprężu przy stałej wydajności) 1, 2, 3, 4 - charakterystyki wentylatora przy zmianie położenia przestawnej przegrody, 5, 6, 7, 8 - charakterystyki przewodu przy dławieniu 11

12 Rys Przebieg regulacji mieszanej za pomocą kierownicy przed wlotem oraz przez zmianę prędkości obrotowej n, Δp=f(Q), n n ; Δp=f 1 (Q), n 1 - charakterystyki przepływu wentylatora przy nominalnej n n i zmniejszonej prędkości obrotowej n 1,, Δp=f (Q), ε ; Δp=f 1(Q), ε' - charakterystyki wentylatora po zmianie położenia kierownicy, Δp r = f 3 (Q), Δp r = f 4 (Q) - charakterystyki przewodu przy niezdławionym i zdławionym przepływie gazu (dla porównania tego sposobu regulacji z regulacją dławieniową), P n, P l, P 2 - punkty pracy: nominalny oraz w czasie regulacji. Porównanie sposobów regulacji went. promieniowych Ekonomiczność różnych sposobów regulacji można ocenić porównując zależności mocy względnej (N/N n ) od wydajności względnej (Q/Q n ) (rys.13.22) dla wentylatorów o łopatkach zakrzywionych ku tyłowi i dla wentylatorów o łopatkach zakrzywionych ku przodowi. Krzywa (6) charakteryzuje teoretyczną regulację polegającą na założeniu, że zmiana prędkości obrotowej wentylatora odbywa się przy sprawności równej η max. Rys Zależność mocy względnej N/N n od wydajności względnej Q/Q n przy różnych sposobach regulacji wentylatorów: a) z łopatkami zakrzywionymi w tył, b) z łopatkami zakrzywionymi w przód, 1 - regulacja dławieniowa, 2 - regulacja za pomocą kierownicy uproszczonej, 3 - regulacja za pomocą kierownicy osiowej, 4 - regulacja przez zmianę prędkości obrotowej przy użyciu sprzęgła hydraulicznego, 5 - regulacja przez zmianę prędkości obrotowej silnika indukcyjnego pierścieniowego, 6 - regulacja teoretyczna. 12

13 Regulacja wentylatorów osiowych Wydajność wentylatorów osiowych może być zmieniana przez: - zmianę prędkości obrotowej, - zmianę ustawienia łopatek kierownicy wlotowej, - zmianę liczby i położenia łopatek wirnika. Regulacja przez dławienie przepływu gazu w przewodzie tłocznym nie jest stosowana ponieważ jest nieekonomiczna oraz powoduje wzrost głośności działania wentylatora i wzrost zapotrzebowania mocy. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej Jest to najodpowiedniejszy sposób regulacji wentylatorów osiowych. Zmiana Q, Δp i N wentylatora wskutek zmiany prędkości obrotowej odbywa się w sposób płynny lub stopniowy w górę lub w dół. Jedyną wadą tego sposobu regulacji jest wzrost głośności wentylatora przy zwiększonej prędkości obrotowej. Regulacja za pomocą kierownicy wlotowej Kierownica wlotowa znajduje się przed wirnikiem. Przez obrót jej łopatek w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotu wirnika wydajność maleje, gdy natomiast trzeba wydajność zwiększyć, należy łopatki obrócić w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika. Równocześnie ze zmniejszeniem się wydajności maleje spręż i pobierana moc (podobnie jak w wentylatorach promieniowych). Regulacja przez zmianę liczby i położenia łopatek wirnika Wpływ zmiany liczby łopatek wirnika wentylatora osiowego na charakterystykę bezwymiarową jest dość istotny. Im mniejsza jest liczba łopatek wirnika, tym charakterystyka ψ = f(φ) jest przesunięta bliżej osi φ. Rys Wpływ liczby z łopatek wirnika wentylatora osiowego na przebieg charakterystyki bezwymiarowej ψ = f(φ). 13

14 Rys Charakterystyka osiowego wentylatora Mustang" z regulacją nastawianymi łopatkami wirnika. Punkt pracy wentylatora z siecią Punktem pracy wentylatora jest punkt przecięcia charakterystyki przepływu wentylatora z charakterystyką przepływu przewodu (sieci). Podobnie jak przy pompach współrzędne punktu pracy wentylatora muszą być równe potrzebnemu sprężowi Δp i niezbędnej wydajności Q, punkt pracy musi leżeć możliwie blisko punktu pracy z najwyższą sprawnością ( η max ) oraz powinien on znajdować się na statecznej gałęzi charakterystyki wentylatora. Rys Różne warunki współpracy wentylatora z przewodem lub siecią. 14

15 Rys Zmiana położenia punktu pracy wentylatora wskutek nieszczelności sieci, Δp = f(q) - charakterystyka wentylatora, Δp r = f 1 (Q) - charakterystyka sieci szczelnej, Δp r = f 2 (Q) - charakterystyka sieci nieszczelnej, P, P - punkty pracy: przy szczelnej i nieszczelnej sieci. Ciąg kominowy" W przypadku gdy: - sieć jest otwarta (po jednej i po drugiej stronie łączy się z atmosferą), - występuje długi pionowy przewód, - zachodzi różnica gęstości przetłaczanego gazu i otaczającego powietrza, to u podstawy takiego komina powstaje różnica ciśnień, wynikająca z różnicy masy słupów powietrza i gazu o tej samej wysokości. Różnica ciśnienia statycznego wynosi wtedy: gdzie: g - przyspieszenie ziemskie [m/s ], h - wysokość przewodu [m], ρ g - gęstość przetłaczanego gazu [kg/m 3 ], ρ P - gęstość otaczającego powietrza [kg/m 3 ]. Jeśli gęstość gazu jest mniejsza od gęstości powietrza (ρ g <ρ p ), to wówczas powstaje ujemny przyrost ciśnienia ciąg kominowy. Obliczając krzywą oporów sieci, należy ciąg kominowy odjąć od tych oporów albo też dodać do spiętrzenia wentylatora. 15

16 Ponieważ ciąg kominowy nie zależy od wydajności i jest wielkością stałą, gdy gęstości gazu i powietrza są stałe, należy całą krzywą oporów, poprzednio obliczoną, przesunąć pionowo o wielkość Δp st w dół - gdy jest ujemna, w górę - gdy jest dodatnia (rys ). Rys Przebieg krzywej oporów przy współdziałaniu dodatniego ciągu kominowego Rys Położenie punktu pracy w zimie (R z ) i w lecie (R l ) oraz wydajność wentylatora w zimie (Q z ) i w lecie (Q t ) przy współpracy z ciągiem kominowym. Niestateczna praca wentylatora W pewnych przypadkach praca wentylatora przebiega niestatecznie. Do takich przypadków należy współpraca wentylatora o charakterystyce siodłowatej dla wentylatorów osiowych, przedstawionej na rys z siecią o małej pojemności. Charakterystyka sieci może przecina charakterystykę wentylatora Δp=f(Q) tylko w jednym punkcie - na lewo od punktu A 1 i na prawo od punktu A 2, natomiast między punktami A 1 i A 2 charakterystyki mają 3 punkty wspólne, B 1, B i K. Jakkolwiek odcinki A 1 C 1 i A 2 C 2 są odcinkami pracy statecznej, niewielka zmiana wydajnoś powoduje przeskoczenie punktu pracy do punktu C 1 lub C 2.Przy badaniu wentylatora nie jest możliwe określenie przebiegu charakterystyki między punktami C 1 i C 2, gdyż przy stopniowym otwieraniu zasuwy uzyskuje się krzywą DA 1 B 1 C 1 A 2 E, a przy zamykaniu krzywą EA 2 C 2 A 1 D. Rys Współpraca wentylatora o charakterystyce niestatecznej z siecią o małej pojemności. 16

17 Innym przykładem pracy niestatecznej jest współpraca wentylatora o charakterystyce niestatecznej przedstawionej na rys z siecią o dużej pojemności. Rys Współpraca wentylatora o charakterystyce niestatecznej z siecią o dużej pojemności Po przekroczeniu punktu pracy K, np. wskutek zmniejszenia się odbioru gazu, następuje przeskok pracy do punktu A, gaz zacznie płynąć przez wentylator w przeciwnym kierunku aż do momentu, w którym punkt pracy znajdzie się w punkcie B, po czym zachodzi gwałtowny przeskok pracy do punktu C i jeżeli odbiór jest w dalszym ciągu mały, cykl powtarza się. Opisany przebieg pracy niestatecznej nosi nazwę pompowania lub pompażu. W zakresie pracy na lewo od osi Δp wentylator pracuje w II-ćwiartce układu współrzędnych. Zjawisko pompowania jest szkodliwe dla zespołu wentylator-silnik, szczególnie dla wirnika, gdyż występują w nim duże naprężenia. Pompowanie objawia się hałaśliwą pracą i drganiami całego zespołu. Można ich uniknąć przez zmniejszenie prędkości-obrotowej wirnika wentylatora lub przez zdławienie przepływu gazu w przewodzie ssawnym. Współpraca wentylatorów Współpraca dwu lub więcej wentylatorów może być równoległa lub szeregowa. Współpraca szeregowa Współpraca szeregowa wentylatorów jest stosowana wtedy gdy spręż jednego wentylatora nie jest wystarczający do pokonania oporów w przewodach lub też przy transporcie pneumatycznym w celu uniknięcia zbyt dużych prędkości obwodowych, które mogłyby spowodować uszkodzenie wirnika cząstkami transportowanych materiałów. Zasada wyznaczania punktu szeregowej współpracy wentylatorów jest taka sama jak przy pompach. Należy przy tym mieć na uwadze dobór wentylatorów o takich charakterystykach, które dawałyby możliwość racjonalnego wykorzystania obu wentylatorów w zakresie potrzebnych parametrów. 17

18 Przykład nieodpowiedniego doboru wentylatorów do współpracy szeregowej w zakresie dużych wydajności przedstawiony jest na rys Z rysunku widać, że wydajność Q 1 wentylatora 1 o charakterystyce Δp 1 =f 1 (Q) działającego samodzielnie jest większa od wydajności sumarycznej Q s dwóch wentylatorów. Wentylator 1 przy współpracy z wentylatorem 2, wskutek której sumaryczna wydajność wynosi Q s, musi pokonać nie tylko opór sieci, ale także opór wentylatora 2 pracującego w IV ćwiartce układu współrzędnych. Wentylator 2 działa jak urządzenie dławiące; gaz przepływa przez ten wentylator w kierunku zgodnym z normalnym, również wirnik obraca się w kierunku normalnym. Rys Współpraca szeregowa w zakresie dużych i średnich wydajności dwóch wentylatorów (różne charakterystyki) P s - punkt współpracy, przy której wentylator 1 tłoczy gaz przez przewód i przez wentylator 2 stanowiący element dławiący, P s - punkt współpracy, przy której oba wentylatory tłoczą gaz. Współpraca równoległa wentylatorów Współpraca równoległa wentylatorów umożliwia uzyskanie większej wydajności w tych przypadkach, gdy w katalogu wentylatorów nie występuje wentylator o odpowiednio dużej wydajności, a zwiększenie wydajności wentylatora nie może być osiągnięte przez podwyższenie prędkości obrotowej. 18

19 Przy tego rodzaju współpracy nieodpowiedni dobór współpracujących wentylatorów prowadzi do pracy jednego z nich w II ćwiartce, tzn. gaz przepływa przezeń w kierunku przeciwnym do normalnego mimo obrotu wirnika w kierunku normalnym. Nietrudno przekonać się o tym analizując przebieg współpracy równoległej dwóch wentylatorów przedstawiony na rysunku Rys Współpraca równoległa dwóch wentylatorów o różnych charakterystykach w zakresie małych i średnich wydajności, P s - punkt współpracy, przy której wentylator 1 tłoczy gaz przez wentylator 2 i przewód tłoczny, P s - punkt współpracy, przy której oba wentylatory działają prawidłowo (tłoczą gaz) 19