CC BY
14
УДК 697.953.2, 697.95-5
doi: 10.55287/22275398_2022_1_146
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЕНТИЛЯТОРА С ПЕРЕМЕННЫМ ЧИСЛОМ ОБОРОТОВ В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ
Е. М. Белова* В. Г. Караджи**
* Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва ** ООО «ЭИР ДЖИ»
Аннотация
Широкое использование вентиляторов с электронным управлением в системах вентиляции и кондиционирования воздуха требует совершенствования методов разработки новых моделей вентиляторов, подбора вентиляторов и моделирования работы вентилятора с переменным числом оборотов с целью управления. Показано, что безразмерные характеристики геометрически подобных вентиляторов
Ключевые слова
системы вентиляции и кондиционирования воздуха с переменным расходом воздуха, вентилятор с переменным числом оборотов, вентиляционная сеть, аэродинамическая характери-
с переменным числом оборотов также как и характеристика сети зависят от диаметра рабочего колеса и частоты его вращения. Проведен эксперимент для выявления нижнего по Re предела применения безразмерных характеристик, полученных для модели вентилятора на основе его испытания при определенном числе оборотов для получения аэродинамических характеристик вентилятора определенных типоразмеров при разных значениях частоты вращения. Полученные результаты позволили выявить, что для безразмерных потерь давления на местном сопротивлении область автомодельности при значениях Рейнольса выше Rev = 45000..50000, а для коэффициента давления вентилятора — выше Reu = 150000..160000. При меньших Rev и Reu потери давления и коэффициент давления начинают непредсказуемо меняться.
стика вентилятора, безразмерные характеристики
Дата поступления в редакцию
20.03.22
Дата принятия к печати
25.03.22
Использование систем кондиционирования воздуха с переменным расходом воздуха VAV (variable air volume) позволяет значительно экономить энергию при эксплуатации, в связи с чем, эти системы получают все большее распространение. Регулирование расхода воздуха в системе путем изменения числа оборотов вентилятора приводит к непосредственному воздействию на объект регулирования — воздушный режим помещения, когда необходимо создать определенное давление в помещении: разрежение или подпор, например, в лабораториях, «чистых помещениях», в помещениях, оборудованных системами приточной противодымной вентиляции. В системах
VAV расход воздуха является управляющим воздействием для поддержания температуры воздуха в помещении в заданном диапазоне [1], а в системе адаптивной вентиляции — заданной концентрации СО2.
Есть целый ряд особенностей, которые отличают эти системы от традиционных систем вентиляции и кондиционирования воздуха с постоянным расходом воздуха, но не учитываются как при проектировании систем, так и при разработке новых типов вентиляторов с электронным управлением, их испытании и получении данных для подбора таких вентиляторов. Вычислительные методы, которые хор ото работают при моделировании течения потоков в межлопастном пространстве осевого и радиального вентилятора при установившемся течении не подходят для моделирования работы вентилятора в системе с переменным расходом воздуха, так как происходит взаимное влияние работы вентилятора с переменным числом оборотов и вентиляционной сети [4].
Мы рассмотрим отдельные особенности работы вентилятора с переменным числом оборотов в вентиляционной сети.
Аэродинамические характеристики вентилятора [2] представляют в виде безразмерных зави-симоетей коэффициннтлв пннногс деления у = статичеокогмновлениэ у/5 , а также коэффициента мощности А , коэффициента полезного действия по полным — ц и статическим параметрам — rjs от
есэффвцвснта производительности р =-соотвнтсевеннн:
Fu
ир
Т P
Т
ьйн
Т Р..
Ws
ь йн е
т '
н
Т пВц
bFo
в 5
ои
Г1=Н П
Нии
вВ
где! — объемный расход воздуха( производительность),м3/с; Р„, Р5Г—давление вентилятора (полное и статическое), Па; Ывал—мощность на валу рабочего колеса, Вт; Р—площадь, ометаемая рабочим
колесом, м2, u — окружная скорость рабочего колеса, м/с, u =
nDn
4ëô~
; D—диаметр рабочего колеса (по
лопаточной системе), м; п — частота вращения колеса, об./мин.; р — плотность перемещаемого воздуха, при стандартных атмосферных условиях 1,2 кг/м3.
Пиоеоеодхтвли вснниеятвров прмвонгв в ктсаиесах хъхакесрисо—им вентиляторовс электронным управлением в виде графиков для разных значений числа оборотов от максимального до минимального значения, соответственно зависимости давления, потребляемой мощности и коэффициента волезноге аейстеиоот раеходе овзднха, ахтъогивно.аахи алхвеооилтворов с постоянным числом оборотов, получая характеристики вентилятора с переменным числом оборотов на основе формул пересчета для давления и потребляемой мощности при соответствующем числе оборотов [5]:
о
о
P = P (—йт N = N (—йв
1v 1v 0 V ) ■> вал вал 0V ) ■>
Ои
Ол
где п — текущее значение числа оборотов, об/мин, п0 — максимальное число оборотов, об/мин, №вал 0 — мощность, потребляемаявентиляторомпри максимальном числеоборотов,Вт, Ру0—полное давление,развиваемое вентиляторомпримаксимальномчислеоборотов, Па. Это справедливо, если допустить, чтовобластиавтомодельностипо числуРейнольдсаИец = иВ/у (у—кинематический коэф-фициентвязкости)длягеометрическиподобныхвентиляторовфункции ¥=/1(ф),А=/2(ф) не зависят от диаметра рабочего колеса и частоты его вращения.
и
Z н
Û -I н
D
CÛ
I
i i
(U I (U
a
(U
с
га a о
H
s s
S i
S*
< ï * i
m ra
, Q.
< s cû H
il ш z LQ (U . Ю
s °
■ £
ш О
Однако, приизменении числа оборотов рабочегоколеса вентилятора, происходит изменение расхода воздуха через вентилятор, изменяется аэродинамика потоков в межлопаточном пространстве, поэтому аэродинамическая характеристика, полученная с использованием формул пересчета, для вернрлятора а пеиемехвым числим еерротов не Опден спр^сатг реальную характеристику. Докажем это на примере коэффициента мощности. Запишем уравнение изменения момента количества движения для вращающегося рабочего колеса вентилятора:
е^нматРм , ил а Тб г
где 3 — момент инерции рабочего колеса относительно оси вращения, кг-м2, Ма — момент аэродинамических сил, равен Ма = Ыеш / (О , нм,
На сСН — сумма мкментап сил аремиявподшлпнилй, вчсшлехпио— тмрмоптния или электродвигателя, нм; (последнее слагаемое условно считают постоянным).
Тогда коэффициентмощностиприизменении угловойскорости вращения будет равен
. 2 1 ерйоО с^д..
А =--—(р--р иМВ)
ртт(В / 2)5 а2 Ж ^ 1
Длявентиляторас переменнымчисломоборотовкоэффициент мощностизависит от диаметра рабочего колеса и угловой скорости вращения.
При работе вентилятора в сети с постоянным расходом воздуха параметры его работы определяются положениемрабочей точки на аэродинамической характеристике при ее пересечении с характеристикой сети, которую, как правило, представляют в виде квадратичной зависимости от расхода воздуха. Однакопри изменениирасхода воздухавсети потери давлениянаучастках не будут под-чинятьсязакономернолтям дляустановившегоси ткчения. Юдиным Е. А.[3] было получено приближенное уравнение характеристики сети с учетом не стационарности, как зависимость коэффициента полногодавления откоэффициентапроизводительности
и т/В
где ш—угловая скорасть нращения роибочеео колеса, хр, кф,) — безразмерные коэффициенты формы исопротивления, I — время, с.
Первое слагаемое в правой части уравнения, учитывающее изменение расхода воздуха во вре-мени,показывает,что характеристикасетибудет отличатьсяотхарактеристики сети при постоянстве расхода в системе. Кроме того, в вентиляционнойсетивсегда имеются элементы, для которых несоблюдаетсяквадратичнаязависимостьпотерьдавленияотрасхода, например, воздушные фильтрыдляочисткивоздуха,щелиинеплотностиввоздуховодах,каналах и ограждениях.
Представляет интерес понимание нижнего по Яг пределаприменения зависимости Ф = /¡(ф) , А = /2(ф) ,полученныхдлямоделивентилятора наоснове егоиспытания при определенном числе оборотовдляполучения аэродинамическиххарактеристиквентилятора определенных типоразмеров при разных значениях частоты вращения. Будем решать задачу экспериментально на образ-цевентилятора имоделивентиляционнойсистемы.
Экспериментальная установка и методика измерений
Экспериментальная установка, практически, очень близка к схеме «С», и включает плавный входной измерительный коллектор (в нем производится измерение производительности по воздуху через измерение статического разрежения);отрезок круглого воздуховода с гладкими стенками, в начале воздуховода после измерительного коллектора—местное равномерно распределенное по поперечному сриеную возуужоводк гэ^дакжшиоскоеоогфотуркение; воороеиемертотельдое сечентт сталиче-скоги разрежения Лраополоихнр ка раосткинии нескоохкиодзюеьроа ооздуховада послемегткоео сопротивления и на расстоянии 2 диаметров воздуховода до входа вентилятора); радиальный венти-лоиор ж спортооуым вм>рлустж(высткоэффекиивнке ]?обочее когеехимеот загнутыенотак лопатси д хокошаы оэроуинамиченкие лораотеууатуку ^о полиому н гьатнлескоми дивлезун вплоттуо минимальных измеряемых производительностей). Схема установки показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерительного стенда: 1 — входной измерительный коллектор; 2 — система измерения статического разрежения во входном коллекторе; 3 — воздуховод постоянного круглого сече-ния;4 — местноеаэродинамическоесопротивление;5 — системаизмерениястатическогоразреже-ния перед вентилятором; 6 — радиальный вентилятор со спиральным корпусом; 7 — асинхронный электродвигатель; Р! — измеритель статического разрежения в измерительном коллекторе; Р2 — из- ¡Ё
мерительстатическогоразреженияпередвентилятором;п— бесконтактныйцифровойтахометр; х
{—частотный преобразователь; Ыс— измеритель потребляемой из электрической сети активной ш
мощности; Ра — измерение атмосферного давления; ^ — измерение температуры перемещаемого
воздуха
чаемого вентилятором, — низкие. Особым свойством вентилятора является устойчивая аэроди-
а. и с
га а о
Основнымэлементомизмерительнойсистемы являетсярадиальныйвентиляторсоспираль- ^ к
нымкорпусом, сделанныйна основерадиального рабочегоколесасзагнутыминазадлопатками ^ 5
типа ИИ25С (Ы 2,5) фирмы Ziehl-abegg. Вентилятор создает достаточно высокое для своего класса < щ
С! ш
полное давление (рис. 2). Статическоедавлениемалоотличаетсяотполного. Уровни шума, излу- < -
^ н ^ °
. ю
намическаяхарактеристикавобласти малыхзначенийкоэффициентапроизводительности ф.Эти со го
свойства позволяют использовать вентилятор в широком диапазоне коэффициентов производи- < 5
со н
тельности и в широком диапазоне частоты вращения рабочего колеса п. О о
с; х
ш <и . ю
ш О
1,2 1 -
0,8 0,6 0,4 0,2 -0
0 0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Рис. 2. Безразмерные аэродинамические характеристики испытанного образца радиального вентилятора со спиральным корпусом
Электропитание вентилятора осуществлялось от однофазной сети переменного тока через измеритель потребляемой из сети электрической мощности (на рисунке 1 — N ) и частотный преобразователь (ни рисунке 1—0, позволяющий изменять частоту вращения рабочего колеса в широких пределах. Реальная частота вращения рабочего колеса измерялась с помощью бесконтактного лазерного цифрового тахометра (на рисунке 1—п).
Изменение производительности вентилятора (при заданной частоте вращения) осуществлялось путем изменения типа материала или количества его слоев в сечении местного аэродинамического сопротивления (на рисунке 1 позиция 4). Материал распределялся в виде однородного по сечению воздуховода слоя. Для крепления разных материалов установлена оцинкованная сетка с ячейкой 10 мм х 10 мм и диаметром прутка 1 мм—вид сопротивления 1. Другие местные аэродинамические сопротивления достигались установкой в дополнение к 1: 2—тонкий пористый материал; 3 — 2 слоя тонкого пористого материала; 4—3 слоя тонкого пористого материала; 5 — слой нетканого фильтровального материала; 6- два слоя тонкого пористого материала; 7—три слоя тонкого пористого материала.
Дренажи статического давления в стенке круглого воздуховода были закольцованы в сечениях измерительного коллектора (2) и перед вентилятором (5). Пневмосигналы поступали на дифференциальные датчики давления Р1 и Р2 , соответственно. Датчик Р1 показывал разрежение в измерительном сечении входного коллектора, из которого определялись значения объемной производительности воздуха, проходящего через воздуховод и вентилятор. Датчик Р2 показывал разрежение перед вентилятором. Эти данные использовались для определения полного Ру и статического Р^ давлений вентилятора. Кроме того, разность давлений Р1 и Р2 использовалась для определения потерь давления на местном аэродинамическом сопротивлении (4). Данные атмосферного давления и температуры перекачиваемого воздуха использовались для приведения результатов измерений к текущей плотности воздуха.
Производились измерения разрежений Р1 , Р2 при ряде значений частоты вращения вентилятора. Далее вычислялись зависимость потерь давления на местном сопротивлении и зависимость коэффи-
циентов производительности и давления вентилятора от частоты вращения. Затем устанавливалось другое значение местного аэродинамического сопротивления (другой материал или менялось количество слоев материала) и измерения производились вновь.
Обработка экспериментальных данных проводилась в двух направлениях:
1. Получение зависимости безразмерных потерь давления йР/(рУ2/2) на местном сопротивлении от числа Рейнольдса Яву = У^^ для каждого местного аэродинамического сопротивления. Здесь V — среднерасходная скорость воздуха в воздуховоде диаметром Вв. При этом потери давления на трение о стенки воздуховода между двумя измерительными сечениями существенно меньше (не более 3%) потерь давления на местном сопротивлении.
2. Получение зависимости коэффициента полного давления вентилятора Ф от числа Рейнольдса Явы = ыВ^ для каждого местного аэродинамического сопротивления.
Зависимость безразмерных потерь давления на местном сопротивлении показана на рис. 3 для ряда видов местного сопротивления. Результаты показывают, что область автомодельности — при значениях Рейнольдса выше Яву = 45000..50000. При меньших Яву потери давления начинают непредсказуемо меняться.
Рис. 3. Зависимости безразмерного коэффициента потерь давления на местном аэродинамическом сопротивлении от числа Яву
Зависимость коэффициента полного давления вентилятора от числа Рейнольдса Явы показана на рис. 4 для ряда тех же значений местного сопротивления. Результаты показывают, что область автомодельности —при значениях Рейнольдса выше Явы = 150000..160000. При меньших Явы потери давления начинают непредсказуемо меняться. Из испытаний фильтровального материала с большими потерями давления (кривая 5 на рис. 4) следует, что потери давления на этом материале не соответствуют квадратичной зависимости потерь давления от производительности. Показатель степени получается 1,5..1,7.
03
г
м О
-I
м
Э СО
2
I I
<и
<и а и с
га а о н
5 Г
* I
< ;
* ¡2
ч £
са га , а
< 5
са н
И
ш I ш <и . ю 2 ° ■ Я
ш О
Рис. 4. Зависимости коэффициента полного давления вентилятора от числа Яви для выбранных местных сопротивлений
Выводы
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Для каждого типа вентилятора по значению числа Рейнольдса Яви можно определить область автомодельности для коэффициента давления ¥ по диаметру и частоте вращения, т.е. для каждого размера вентилятора будет существовать частота вращения, ниже которой автомодельности нет. Чем меньше диаметр рабочего колеса, тем при больших частотах будет нарушаться условие автомодельности.
2. В секции фильтра наблюдается нарушение автомодельности при уменьшении числа Яв, связанное с отклонением квадратичной зависимости потерь давления от производительности.
3. Так как в фильтровальной секции вентиляционной установки всегда присутствует воздушный фильтр с достаточно объемным пористым фильтровальным материалом, а доля потерь давления в этом элементе существенная в общих потерях давления в сети, то зависимость общего аэродинамического сопротивления в сети от объемного расхода воздуха всегда отличается от квадратичного закона.
4. Регулирование расхода воздуха в системе вентиляции и кондиционирования воздуха при изменении частоты вращения рабочего колеса может приводить к существенному изменению аэродинамической характеристики вентилятора, а также характеристики вентиляционной сети, а значит — к существенным отклонениям параметров работы вентилятора от проектных значений.
Библиографический список
1. Е. М. Белова. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. — М.: Евроклимат, 2006. — 639 с.
2. В. Г. Караджи, Ю. Г. Московко. Вентиляционное оборудование. Технические рекомендации для проектировщиков и монтажников [Текст] /. — Москва : «АВОК-ПРЕСС», 2010. — 431 с.
3. Е. А. Юдин. К расчету процесса пуска и остановки вентилятора// Промышленная аэродинамика, сб.№6 (Вентиляторы). — М., ЦАГИ, 1955. — С.101 — 108.
4. A. Corsini, G. Delibra, A. G. Sheard. A Critical Review of Computational Methods and Their Application in Industrial Fan Design // Journal of the South African Institution of Mechanical Engineering. Volume 2013, Article ID 625175, 20 pages. http://dx.doi.org/10.1155/2013/625175
5. J. W. Kilma. Optimized fan control in variable air volume HVAC systems using static pressure reset strategy selection and savings analisis //Texas A&M University, 2009. P.81.
6. G. Liu, M. Liu. Supply Fan Control Methods for VAV Systems Using a Fan Airflow Station// ASHRAE Transactions 114(1), 2008. P. 451 — 457.
FEATURES OF OPERATION OF A FAN WITH A VARIABLE SPEED IN THE VENTILATION NETWORK
E. M. Belova* V. G. Karadzhi**
* Moscow State University of Civil Engineering, Moscow ** LLC "Air je"
ID Z
M
О
-I
M
D CD
Abstract
The widespread use of electronically controlled fans in ventilation and air conditioning systems requires improved methods for developing new models of fans, selecting fans and simulating the operation of a variable speed fan for control purposes. It is shown that the dimensionless characteristics of geometrically similar fans with a variable speed, as well as the characteristics of the network, depend on the diameter of the impeller and its speed. An experiment was carried out to identify the lower Re limit for the use of dimensionless characteristics obtained for a fan model based on its testing at a certain speed to obtain the aerodynamic characteristics of a fan of certain sizes at different speeds. The results obtained made it possible to reveal that for dimensionless pressure losses at local resistance, the region of self-sim ilarity at Reynols values above Rev = 45000..50000, and for the fan pressure coefficient—above Reu = 150000..160000. At smaller Rev and Reu , the pressure loss and pressure coefficient begin to change unpredictably.
The Keywords
ventilation and air conditioning systems with variable air flow, variable speed fan, ventilation network, fan aerodynamic characteristic, dimensionless characteristics
Date of receipt in edition
20.03.22
Date of acceptance for printing
25.03.22
Z
i i
<U
z
<U
a
<u с
га a о н
s г
g i < ;
* i 4 S
m ra
, Q.
< S CQ H
Ii
ш J ID (U . Ю
s ° ■ £
ш О
Ссылка для цитирования:
Е. М. Белова, В. Г. Караджи. Особенности работы вентилятора с переменным числом оборотов в вентиляционной сети. — Системные технологии. — 2022. — № 42. — С. 146 - 154.
