Центробежный вентилятор: особенности конструкции и принцип действия устройства

С развитием производственной отрасли многие технологические процессы начали нуждаться в организованной подаче воздуха. Бытовая сфера также не осталась в стороне. Для обеспечения ряда коммуникаций необходим постоянный приток свежего воздуха.

Центробежный вентилятор оказался элегантным решением данной проблемы, позволяя автономно создавать необходимый воздушный поток. Но каков его принцип работы и строение? Эти вопросы мы подробно обсудим в данной статье.

В ней мы рассмотрим конструкционные характеристики устройства, его функциональные возможности, области применения, а также лучших производителей, чья продукция представлена на рынке. Также мы предложим рекомендации по выбору соответствующей модели вентилятора.

Принцип нагнетания и разрежения воздуха с помощью вентилятора

Вентилятор представляет собой механическое устройство, способное обрабатывать поток газовоздушной смеси, увеличивая её удельную энергию для перемещения.

Такая конструкция даёт возможность создавать эффекты нагнетания или разрежения рабочего газа в пространстве, изменяя давление соответственно (механизм преобразования энергии).

Газовое давление можно рассматривать как постоянный процесс хаотичного движения молекул газа. Эти молекулы, сталкиваясь со стенками замкнутого пространства, вызывают давление на них.

Поэтому, чем быстрее молекулы перемещаются, тем больше происходит столкновений, и, следовательно, выше давление. Газовое давление является одной из основных характеристик газа.

Центробежные вентиляторы являются самым простым типом механических устройств, используемых для создания и организации вентиляционных систем, которые различаются по назначению, объему и типу движения воздуха.

Радиальные, или центробежные, вентиляторы позволяют реализовать различные задачи по приточной и вытяжной вентиляции, преимущественно использующиеся без воздуховодов.

Работа центробежного вентилятора осуществляется осевым двигателем, мощность которого определяется в зависимости от объема перекачиваемого воздуха.

Эти вентиляторы могут работать как в условиях чистого воздуха, так и во взрывоопасных средах.

С другой стороны, любой газ обладает ещё двумя характеристиками: объемом и температурой. Объем – это пространство, занимаемое газом. Температура газа – это термодинамическая характеристика, связывающая скорость молекул с создаваемым ими давлением.

На этих трёх составляющих основывается молекулярно-кинетическая теория, служащая основополагающей для объяснения всех процессов, связанных с обработкой газов и газовых смесей.

Процесс нагнетания – это принудительное сосредоточение молекул в замкнутом объёме выше некоторого уровня. Например, нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет примерно 100 кПа (10^5 Па) или 760 мм рт. ст.

С повышением высоты над уровнем моря давление снижается, и воздух становится менее плотным.

Атмосферное давление – это вес столба воздуха относительно площади поверхности, над которой он находится. Не масса, а именно вес P=mg. Данное давление измеряется барометром, а другие типы давления фиксируются манометром.

Разрежение представляет собой процесс, обратный нагнетанию, в ходе которого молекулы покидают замкнутую систему. Объём остаётся прежним, но количество молекул уменьшается, а значит, давление также падает.

Эффект нагнетания необходим для принудительного перемещения воздуха. Также возможно применение разрежения для восстановления баланса давления в системе: молекулы перемещаются из зоны высокой концентрации к зоне низкой.

Таким образом, происходит перемещение газовых молекул.

Для определения скорости воздушного потока как снаружи, так и внутри помещений часто используют специальные приборы – анемометры. Они незаменимы при проектировании вентиляционных систем.

Существует множество компоновок вентсистем, которые можно условно разделить на несколько категорий по определённым критериям:

1. По назначению. Существуют вентиляторы общего и специализированного назначения. Обычно используемые вентиляционные приборы предназначены для транспортировки газа. Спецвентиляторы служат для пневмотранспорта и перемещения агрессивных и взрывоопасных газов.
2. По скорости. Бывают вентиляторы с низкой, средней и высокой частотой вращения колеса с лопатками.
3. По диапазону давления. Приняты следующие категории: низкое (до 1 кПа), среднее (1-3 кПа) и высокое (более 3 кПа) давление.

Некоторые промышленные и бытовые процессы с использованием воздуходувок происходят в сложных внешних условиях, поэтому к оборудованию предъявляют соответствующие требования.

Таким образом, можно выделить пыле-, влагозащищенные, термостойкие, коррозивные, искрозащитные устройства и агрегаты для удаления дыма, а также обычные вентиляторы.

Дополнительная информация о видах вентиляторов изложена в отдельной статье.

Структура центробежного вентилятора

Центробежная система представляет собой нагнетательное устройство с радиальным исполнением, способное генерировать давление в каждом диапазоне.

Эти устройства предназначены для перемещения одно- и многоатомных газов, включая химически активные соединения.

Центробежные вентиляторы применяются в системах вентиляции как жилых, так и производственных, коммерческих объектов. Они предназначены для подачи свежего воздуха и удаления вредных веществ из воздуха.

Корпус и мотор вентилятора размещаются на сварной или литой раме вентиляционной установки. Между ними установлены подшипники.

Рабочее колесо является ступицей, жестко соединённой с основным диском.

Лопатки центробежного вентилятора зафиксированы на переднем и основном вращающемся диске. В зависимости от конструкции, они могут быть загнуты вперед, назад или выполнять радиальные функции.

Центробежные вентиляторы делятся на модели с правым и левым вращением рабочего колеса. В большинстве случаев возможно изменить направление вращения.

Вентиляторы с односторонним всасыванием отличаются консольным исполнением рабочего колеса. Обычно это небольшие и компактные агрегаты.

Вентиляционные установки с двухсторонним всасыванием имеют центральное расположение вращающегося колеса относительно подшипников, в большинстве случаев это крупные конструкции.

Корпус обычно изготовлен из металла или пластика и называется защитным кожухом. Он защищает внутреннюю систему от пыли, влаги и других факторов, которые могут негативно влиять на работу устройства.

Качественные изделия вентиляционного оборудования имеют свой класс защиты. Степень защиты оболочки (Ingress Protection) представляет собой международный стандарт, определяющий уровень защищенности устройства от воздействия внешней среды.

Центробежные вентиляторы развивают большее давление, чем осевые их аналоги. Это связано с передачей энергии от попадающего в барабан воздуха в процессе его прохождения через систему.

Двигатель может быть электрическим или двигателем внутреннего сгорания (что характерно для промышленных моделей). Наиболее распространённым методом является использование электромотора, который заставляет вращаться вал с импеллером.

Существует несколько способов передачи вращения от мотора к импеллеру:

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

С учётом обили я производителей, которые создают уникальные устройства с разнообразными динамическими характеристиками, потребителям доступен широкий ассортимент вентиляторов.

В конструкции имеются два главных канала: входной и выходной. Газовая смесь поступает в первый, затем перемещается в рабочую камеру, обрабатывается и выходит через второй канал.

Собранные усилия разработчиков позволили создать широкий спектр применения для таких устройств, включая:

• вентиляционные и отопительные системы в частных и многоквартирных домах;
• подачу и очистку воздуха в нежилых зданиях;
• фильтрационные системы для сельского хозяйства;
• выполнение технологических процессов в различных отраслях легкой и тяжёлой промышленности.

Также существуют варианты использования воздуходувок в системах пожаротушения и для быстрого замещения воздуха в закрытых помещениях.

Эти вентиляторы могут работать с высокотемпературными газами, что требует от производителей включения в документацию данных о соответствии своей продукции международным стандартам.

Простая и проверенная конструкция центробежных механизмов обладает рядом значительных преимуществ:

• высокая надежность и эффективность;
• простота и легкость в обслуживании техники;
• гарантия безопасной интеграции и эксплуатации агрегатов;
• низкие затраты на электричество и ремонт в случае поломки.

Также воздуходувки выделяются невысоким уровнем шума, что позволяет их использовать в домашних условиях. Центробежные вентиляторы обладают длительным сроком службы благодаря тому, что рабочие части механизма не соприкасаются между собой внутри рабочей камеры.

Характерные особенности рабочего цикла устройства

Рассмотрим общий принцип работы радиально-центробежной воздуходувки. Специалисты выделяют две основные схемы вентиляторов: с осевым и радиальным расположением входного отверстия, куда поступает поток воздуха.

Это оказывает влияние в первую очередь на способ установки вентилятора в систему и почти не сказывается на его общей производительности.

Вентилятор радиального типа может функционировать как с обычным воздухом, который он забирает из окружающей среды, так и с воздухом, подводимым через воздухопровод (используя эффект давления).

Осевое расположение входа характерно для нагнетательных воздуходувок общего назначения, в то время как радиальная схема используется в воздуходувках, предназначенных для магистрального использования.

На начальном этапе рабочего процесса ветер подается на поверхность быстро вращающегося импеллера. Лопатки крыльчатки делят поток воздуха на малые объемы, которые перемещаются внутрь рабочей камеры.

На этом этапе происходит накопление воздушной массы, что подразумевает сжатие воздуха в компактное пространство.

Конструкция корпуса аппарата также имеет свои особенности.

Существует две наиболее распространенные формы корпуса:

• круглые;
• спиралевидные.

Круглая форма корпуса свойственна вентиляторам, перемещающим большие объемы воздуха в кратчайшие сроки. В то время как спиралевидная форма присуща агрегатам, которые дополнительно обеспечивают сжатие воздуха и создание среднего и высокого давления.

На следующем этапе происходит нагнетание воздуха в рабочей камере. Известно, что при постоянном объеме, с увеличением общей массы молекул газа возрастает и количество столкновений между ними, а следовательно, и их скорость. Это в свою очередь ведет к увеличению давления газа.

Определяющую роль в этом процессе играют форма и количество лопаток. Все без исключения конструкции импеллеров проходят тестирование в аэродинамических трубах для выявления оптимальных условий работы.

На последнем этапе осуществляется вывод сжатого газа из рабочей камеры к выходному отверстию. Затем воздух направляется в центральный воздуховод и движется в заданную сторону.

Процесс разрежения происходит наоборот. Воздух забирается из воздухопровода или замкнутого пространства, где нужно создать область низкого давления, и выводится в окружающую среду или другое ограниченное пространство.

Технические характеристики центробежного вентилятора

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

К характеристикам относятся:

• собственно конструкция воздуходувки;
• тип используемого двигателя;
• блок управления;
• расположение крыльчатки и передача вращающего момента от мотора;
• угол наклона входного и выходного патрубков;
• материалы, из которых изготовлены элементы устройства, его размеры и масса.

Специалисты также следят за тем, чтобы изделия соответствовали международным стандартам: ISO/IEC, ГОСТ, марка IP, директивы ATEX и т.д.

К динамическим характеристикам относятся технические показатели производительности вентилятора: создаваемое давление и коэффициент перепада давления, скорость и максимальная температура воздушного потока, частота вращения вала и уровень звукового давления, эффективность и мощность двигателя.

Максимальное создаваемое давление — это величина, которую вентилятор способен развить в ходе работы на номинальном режиме.

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

Коэффициент перепада — это разница между входным и создаваемым давлением (в барах).

Объемный расход воздуха — это количество газовой смеси, которое перемещается за единицу времени (производительность). Обычно измеряется в м³/ч у отечественных производителей, литр/мин — у зарубежных.

Частота вращения — это количество полных оборотов крыльчатки за единицу времени. Измеряется в шт/с или Гц. Важно помнить, что рабочая нагрузка вентилятора не должна превышать 75% от максимального значения.

Длительная работа в режиме перегрузки с высокой частотой вращения может привести к перегреву вентилятора и его быстрой поломке. Однако этот процесс можно контролировать, используя регулятор скорости вращения устройства.

Уровень звукового давления — это шум от вращающихся элементов и трения воздуха о металл. Измеряется на расстоянии трёх метров от источника во время максимальной нагрузки. Шум следует учитывать при выборе вентилятора для постоянной эксплуатации.

Большинство устройств оснащены системами гашения шума. Нормативные ограничения по уровню шума: не более 50 дБа для жилых помещений и не более 75 дБа для производственных.

Одним из мало шумящих устройств является безлопастный вентилятор.

Эффективность вентилятора выражается в произведении трех нижеуказанных параметров:

• потери в воздушном потоке;
• утечки через конструкторские зазоры;
• механический КПД устройства.

Для центробежных вентиляторов общий КПД варьируется от 0.7 до 0.85, для осевых (канальных) – не выше 0.95. При выборе радиального вентилятора нужно учитывать запас мощности электродвигателя 1.2, то есть подбирать мощность на 20% выше необходимых показателей.

Мощность электродвигателя можно расчитать по формуле:

N = (Q*P)/(102*3600*КПД),

Где: Q — производительность (объемный расход воздуха), P — создаваемое давление.

Выбор вентилятора в соответствии с требованиями

Процесс подбора вентиляционного оборудования для промышленных объектов (рабочие цеха, ангары) является весьма сложным и интересным, и должен осуществляться квалифицированным специалистом. Специфика вентиляции производственных помещений подробно рассмотрена здесь.

Для обычных квартир и частных домов уже представлены готовые решения. В общем случае (для 2-3 комнатной квартиры) схема вентиляции выглядит следующим образом:

• в жилых зонах устанавливаются проветриватели, количество которых зависит от размеров комнат и числа жильцов;
• в кухне и санузле монтируются вытяжные диффузоры и прокладываются воздуховоды к приточно-вытяжной установке.

Центробежный вентилятор состоит из блока управления, системы фильтрации для очистки воздуха, электромотора и самого радиального вентилятора.

Для указанной схемы вентиляции подойдут настенные вентиляторы серии ЦФ от компании Вентс с производительностью до 120 м³/ч.

Современный рынок вентиляционного оборудования предлагает разнообразные модели зарубежного производства: 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.

Изделия ведущих мировых производителей станут отличным решением для решения вентиляционных задач любого масштаба.

Не уступают по качеству и надежности отечественные марки Вентс, Элком, Домовент и Веза. Если возникли сомнения по поводу правильности расчетов или выбора определенной модели, стоит обратиться за консультацией в службу поддержки любой из компаний.

Если вы владелец частного дома с одним-двумя этажами или коммерческого здания аналогичной площади (ресторан, склад, столовая, кафе, офис), при выборе оборудования необходимо учитывать объем помещений, кратность воздухообмена, длину и сечение основных трубопроводов.

К задачам вентилирования и удаления дыма с легкостью справятся многозональные воздуходувки или крыши вентиляторы серии КРОМ от компании Веза, вентиляторы серии ВН от Вентс и другие.

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

Таким образом, радиальные воздуходувки могут быть дополнены вспомогательными компонентами:

• регулируемыми таймерами и переключателями, фотодатчиками и сенсорами влажности;
• регуляторами скорости и индикаторами состояния;
• датчиками перегрузки электродвигателя и отсутствия электрического питания;
• виброизоляторами из пружин или резины.

Если вентилятор установлен внутри квартиры или дома, его можно скрыть под съемной лицевой панелью из алюминия или пластика, которая будет гармонировать с интерьером.

Для многих пользователей важным критерием при выборе вентилятора служит уровень шума. Ищете тихий вентилятор для ванной? Рекомендуем ознакомиться с рейтингом безшумных моделей.

Заключение и полезное видео по теме

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

Также ниже приведён отличный пример установки бытового вентилятора в ванной комнате:

И ещё один вариант монтирования маломощного бытового вентилятора в квартире:

Классический центробежный вентилятор стал итогом долгосрочных разработок в области создания и проектирования вентиляционного оборудования. Он представляет собой отличное решение не только для промышленных нужд, но и эффективный инструмент для воздухопроводки в жилых и офисных пространствах.

Планируете приобрести центробежный вентилятор? Или, возможно, у вас возникли вопросы по уже упомянутому материалу? Не стесняйтесь задавать свои вопросы и уточнять технические детали в комментариях.

А может быть, у вас уже установлен такой вентилятор в ванной? Как вы оцениваете его работу? Соответствует ли его мощность особенностям вашего помещения? Делитесь фотографиями своего вентилятора и оставляйте свои отзывы в комментариях.