Wentylator odśrodkowy: specyfika urządzenia i zasada działania

Wraz z rozwojem sektora przemysłowego wiele procesów technologicznych wymagało wymuszonego dostarczania powietrza. Nie pozostała w tyle także sfera domowa. Aby zapewnić niektóre rodzaje komunikacji, wymagany jest regularny dopływ świeżego powietrza.

Eleganckim rozwiązaniem tego problemu stał się wentylator odśrodkowy, który jest w stanie autonomicznie tłoczyć wymaganą ilość masy powietrza. Ale jak jest zbudowany i jak działa? Właśnie te pytania szczegółowo omówimy w naszym artykule.

Przyjrzymy się cechom konstrukcyjnym urządzenia, jego możliwościom, zakresowi zastosowania, najlepszym producentom, których produkty są dostępne na rynku. A także udzielimy zaleceń dotyczących wyboru odpowiedniego modelu wentylatora.

Istota tłoczenia i podciśnienia powietrza przez wentylator

Wentylator stanowi mechaniczną konstrukcję, która jest w stanie przetwarzać strumień mieszanki gazowo-powietrznej poprzez zwiększenie jej energii jednostkowej w celu późniejszego przemieszczania.

Taka architektura agregatu umożliwia wytworzenie efektu tłoczenia lub podciśnienia gazu roboczego w przestrzeni poprzez zwiększenie lub zmniejszenie ciśnienia odpowiednio (mechanizm konwersji energii).

Pod ciśnieniem gazu rozumie się nieskończony proces chaotycznego ruchu cząsteczek gazu, które uderzając w ścianki zamkniętej przestrzeni, wywierają na nie ciśnienie.

W konsekwencji, im wyższa prędkość tych cząsteczek, tym więcej uderzeń i tym wyższe ciśnienie. Ciśnienie gazu jest jedną z głównych cech gazu.

Z drugiej strony każdy gaz ma jeszcze dwa parametry: objętość i temperaturę. Objętość – ilość przestrzeni wypełnionej przez gaz. Temperatura gazu – charakterystyka termodynamiczna, która wiąże prędkość cząsteczek z generowanym przez nie ciśnieniem.

Na tych “trzech filarach‟ opiera się molekularno-kinetyczna teoria, która jest podstawą do opisu wszystkich procesów związanych z przetwarzaniem gazów i mieszanin gazowych.

Proces tłoczenia polega na wymuszonym skupianiu cząsteczek w zamkniętej przestrzeni powyżej pewnej normy. Na przykład, powszechnie przyjęte ciśnienie powietrza przy powierzchni ziemi wynosi około 100 kPa (10⁵ kilopaskali) lub 760 mm Hg (milimetrów słupa rtęci).

Wraz ze wzrostem wysokości nad powierzchnią Ziemi ciśnienie maleje, powietrze staje się rozrzedzone.

Ciśnienie atmosferyczne – ciężar słupa powietrza względem powierzchni, nad którą się znajduje. Nie masa, a właśnie ciężar P=mg. Mierzy się barometrem, pozostałe rodzaje ciśnienia określa się manometrem.

Podciśnienie jest procesem odwrotnym do tłoczenia, podczas którego cząsteczki opuszczają zamknięty układ. Objętość pozostaje ta sama, a liczba cząsteczek zmniejsza się wielokrotnie, w związku z czym ciśnienie również maleje.

Efekt tłoczenia jest niezbędny do wymuszonego przemieszczania powietrza. Możliwy jest również wariant przemieszczania powietrza przez efekt podciśnienia: w celu przywrócenia równowagi ciśnienia w całym układzie cząsteczki przemieszczają się z obszaru o większym stężeniu do obszaru o mniejszym stężeniu.

W ten sposób następuje przemieszczanie cząsteczek gazu.

Do określania prędkości przepływu powietrza na zewnątrz lub wewnątrz budynku często stosuje się specjalne narzędzie – anemometr. Niezastąpione urządzenie przy projektowaniu systemów wentylacyjnych.

Istnieją bardzo różne konfiguracje systemów wentylacyjnych, ale można je umownie podzielić na kilka klas według określonych parametrów:

1. Ze względu na przeznaczenie. Rozróżnia się wentylatory ogólnego i specjalnego przeznaczenia. Wentylatory ogólnego przeznaczenia stosuje się do zwykłego przemieszczania gazu. Wentylatory specjalne są używane do transportu pneumatycznego, transportu agresywnych i wybuchowych mieszanin gazowych.
2. Ze względu na prędkość obrotową. Występują o małej, średniej i dużej prędkości obrotowej wirnika z łopatkami.
3. Ze względu na zakres ciśnienia. Znane są systemy wytwarzające niskie (do 1 kPa), średnie (1–3 kPa) i wysokie (powyżej 3 kPa) ciśnienie.

Niektóre procesy przemysłowe i domowe z użyciem dmuchaw zachodzą w ekstremalnych warunkach środowiskowych, dlatego stawia się odpowiednie wymagania sprzętowi.

W związku z tym można mówić o odpylaczach, urządzeniach odpornych na wilgoć, żaroodpornych, odpornych na korozję, przeciwiskośnych oraz o urządzeniach do usuwania dymu i zwykłych wentylatorach.

Informacje o rodzajach wentylatorów zostały szczegółowo omówione w innym naszym artykule.

Budowa wentylatora odśrodkowego

System konstrukcji odśrodkowej stanowi mechanizm tłoczący o architekturze promieniowej, który jest w stanie generować ciśnienie w dowolnym zakresie.

Przeznaczony do transportu gazów jedno- i wieloatomowych, w tym związków chemicznie “agresywnych”.

Konstrukcja jest “okryta” metalową/plastikową obudową, którą nazywa się osłoną ochronną. Osłona chroni komorę wewnętrzną przed kurzem, wilgocią i innymi substancjami, które mogą negatywnie wpływać na pracę urządzenia.

Wysokiej jakości produkt wentylacyjny zawsze ma określoną klasę ochrony. Stopień ochrony obudowy (Ingress Protection) to jednolity międzynarodowy standard jakości produktu, który określa poziom zabezpieczenia urządzenia przed wpływem środowiska.

Wentylator promieniowy wytwarza znacznie wyższe ciśnienie niż wentylator osiowy. Wynika to z przekazania energii porcji powietrza, która dostała się do bębna, powstającej podczas przejścia od wlotu do wylotu z systemu.

Mechanizm napędzany jest silnikiem elektrycznym lub silnikiem spalinowym (typowe dla wentylatorów przemysłowych). Najpopularniejszą metodą jest silnik elektryczny, który obraca wał z wirnikiem.

Znanych jest kilka sposobów przenoszenia ruchu obrotowego z silnika na wirnik:

• sprzęgło elastyczne;
• przekładnia pasowo-klinowa;
• przekładnia bezstopniowa (hydrauliczne lub indukcyjne sprzęgło poślizgowe).

Biorąc pod uwagę istnienie ogromnej liczby firm produkcyjnych, które tworzą unikalne systemy o bardzo różnych parametrach dynamicznych, konsumenci mają do dyspozycji dość szeroki asortyment wentylatorów.

W obudowie znajdują się dwa kanały główne: wlotowy i wylotowy. Mieszanina gazowa wchodzi do pierwszego kanału, przemieszcza się do komory, tam jest przetwarzana, a następnie wychodzi do drugiego.

W wyniku intensywnej pracy konstruktorów mamy szeroki zakres zastosowań takich maszyn, w tym:

• systemy wentylacji i ogrzewania w domach prywatnych i wielopiętrowych;
• dostarczanie i oczyszczanie powietrza dla budynków niemieszkalnych;
• systemy filtracyjne w rolnictwie;
• realizacja procesów technologicznych w przemyśle lekkim i ciężkim o różnym kierunku.

Istnieją również opcje zastosowania dmuchaw w systemach przeciwpożarowych i szybkiej wymiany powietrza w zamkniętej przestrzeni.

Takie wentylatory pracują z wysokotemperaturowymi mieszaninami gazowymi, co zobowiązuje producentów do umieszczania w dokumentacji technicznej informacji o zgodności swojego sprzętu z normami międzynarodowymi.

Sprawdzona i prosta konstrukcja mechanizmu odśrodkowego ma szereg oczywistych zalet:

• wysoka niezawodność i niezrównana wydajność;
• łatwość i dostępność serwisowania urządzeń;
• bezpieczeństwo integracji i eksploatacji agregatów;
• minimalne koszty energii i napraw w przypadku awarii.

Ponadto dmuchawy charakteryzują się dość niskim progiem hałasu, co pozwala na ich użytkowanie w warunkach domowych. Wentylatory odśrodkowe mają również wyjątkowo długą żywotność dzięki brakowi bezpośredniego kontaktu części roboczych mechanizmu w komorze roboczej.

Cechy cyklu pracy urządzenia

Rozważmy ogólną zasadę działania odśrodkowej dmuchawy o konstrukcji promieniowej. Należy zauważyć, że specjaliści rozróżniają dwie podstawowe konstrukcje wentylatora: z osiowym i promieniowym umieszczeniem otworu wlotowego, do którego zasysany jest strumień powietrza.

Wpływa to przede wszystkim na sposób montażu wentylatora w systemie i praktycznie nie wpływa na ogólną wydajność.

Wentylator promieniowy może pracować zarówno z normalnym powietrzem pobieranym z otoczenia, jak i z powietrzem przepływającym przez kanał powietrzny (efekt równoważenia obszarów o różnym ciśnieniu).

Otwór wlotowy osiowy jest typowy dla dmuchaw tłocznych ogólnego przeznaczenia. Promieniowe umiejscowienie wlotu strumienia jest typowe dla dmuchaw wykorzystywanych w sieciach magistralnych.

W pierwszym etapie cyklu pracy wentylatora strumień powietrza jest przemieszczany na powierzchnię szybko obracającego się wirnika. Łopatki koła wentylatora dzielą powietrze na małe objętości, które są przemieszczane do wnętrza komory roboczej.

Tutaj następuje gromadzenie masy powietrza, czyli bezpośrednie sprężanie masy powietrza do małej objętości.

Sama konstrukcja obudowy agregatu ma swoje cechy szczególne.

Znane są dwie najczęściej spotykane formy obudowy:

• okrągłe;
• spiralne.

Okrągła forma obudowy jest charakterystyczna dla wentylatorów, które przemieszczają ogromne ilości powietrza w krótkim czasie procesu. Natomiast forma spiralna jest typowa dla wentylatorów, które dodatkowo dokonują sprężania objętości powietrza i generowania średniego oraz wysokiego ciśnienia.

W drugim etapie następuje tłoczenie powietrza w komorze roboczej. Jak wiadomo, przy stałej objętości, wraz ze wzrostem całkowitej masy cząsteczek gazu, wzrasta liczba zderzeń cząsteczek, a tym samym ich prędkość. W związku z tym ciśnienie gazu również wzrasta.

Duże znaczenie ma kształt i liczba łopatek. Wszystkie bez wyjątku warianty wirników są testowane w tunelach aerodynamicznych w celu określenia optymalnych warunków eksploatacji.

Na etapie końcowym następuje odprowadzenie sprężonego gazu z komory roboczej do otworu wylotowego. Następnie powietrze przechodzi do centralnego kanału wentylacyjnego i przemieszcza się w określonym kierunku.

Proces rozrzedzania odbywa się dokładnie odwrotnie. Powietrze pobierane jest z rurociągu wentylacyjnego lub zamkniętej przestrzeni, w której należy wytworzyć obszar rozrzedzony, i wyprowadzane do otoczenia lub innej ograniczonej przestrzeni.

Specyfikacja wentylatora odśrodkowego

Systemy sprężarkowe charakteryzują się szeregiem różnic konstrukcyjnych i dynamicznych, które należy uwzględnić przy ich doborze i wdrażaniu w systemie wentylacji.

Do specyfikacji zalicza się:

• bezpośrednio samą konstrukcję dmuchawy;
• typ silnika;
• blok sterowania;
• umiejscowienie wirnika i przekazywanie ruchu obrotowego od silnika;
• kąt położenia króćca wlotowego i wylotowego;
• materiał, z którego wykonane są części produktu, jego wymiary i waga.

Specjaliści zwracają również uwagę na zgodność produktów z normami międzynarodowymi: normami ISO/IEC i GOST, oznaczeniami IP, dyrektywami ATEX itp.

Do cech dynamicznych zalicza się parametry techniczne wydajności dmuchawy: generowane ciśnienie i współczynnik spadku ciśnienia, prędkość i maksymalną temperaturę strumienia, częstotliwość obrotów wału i poziom ciśnienia akustycznego, sprawność i moc silnika.

Ciśnienie tłoczenia – maksymalna wartość, jaką wentylator jest w stanie wytworzyć podczas pracy w trybie nominalnym.

P_v = P_sv + P_dv,

Gdzie: P_v – ciśnienie całkowite, P_sv – ciśnienie statyczne, P_dv – ciśnienie dynamiczne.

Współczynnik różnicy ciśnień – różnica między ciśnieniem wlotowym a generowanym (bar).

Objętościowy przepływ powietrza – ilość mieszaniny gazów przemieszczającej się w jednostce czasu (wydajność). Zwykle oblicza się w m³/h dla producentów krajowych, l/min – dla zagranicznych.

Częstotliwość obrotów – liczba pełnych obrotów wirnika w jednostce czasu. Oblicza się w szt./s lub Hz. Należy pamiętać, że poziom obciążenia wentylatora nie powinien przekraczać 75% maksymalnego.

Pracując przez dłuższy czas w trybie przeciążenia z dużą częstotliwością obrotów, wentylator przegrzewa się i może szybko ulec awarii. Proces ten można jednak kontrolować, zarządzając nim według własnego uznania. W tym celu stosuje się regulator prędkości obrotowej wentylatora.

Ciśnienie akustyczne – poziom hałasu pochodzącego od wirujących części i tarcia powietrza o metal. Mierzy się je w odległości 3 metrów od źródła, gdy pracuje ono w trybie maksymalnego obciążenia. Hałas należy uwzględnić przy wyborze wentylatora pracującego w sposób ciągły.

Większość urządzeń wyposażona jest w tłumiki hałasu i dźwięków tła. Normy hałasu: nie więcej niż 50 dB(A) dla pomieszczeń mieszkalnych i nie więcej niż 75 dB(A) dla przemysłowych.

Jednym z urządzeń o minimalnym poziomie hałasu jest wentylator bezłopatkowy.

Współczynnik sprawności wentylatora jest iloczynem trzech poniższych współczynników:

• straty w strumieniu powietrza;
• przecieki przez szczeliny w konstrukcji;
• sprawność mechaniczna urządzenia.

Dla wentylatorów odśrodkowych całkowita sprawność mieści się w zakresie od 0.7 do 0.85, w osiowych (kanałowych) – nie więcej niż 0.95. Wybierając wentylator promieniowy należy uwzględnić współczynnik bezpieczeństwa silnika elektrycznego wynoszący 1.2. Oznacza to, że moc silnika elektrycznego powinna być o 20% większa niż wymagana.

Moc silnika elektrycznego wentylatora określa się według wzoru:

N = (Q*P)/(102*3600*η),

Gdzie: Q – wydajność (objętościowy przepływ powietrza), P – generowane ciśnienie.

Dobór wentylatora zgodnie z wymaganiami

Proces doboru urządzeń wentylacyjnych dla obiektu przemysłowego (hali produkcyjnej, hangaru) jest dość interesującym i skomplikowanym procesem, który powinien wykonać specjalista. Specyfika wentylacji pomieszczeń produkcyjnych została szczegółowo omówiona tutaj.

Dla zwykłych mieszkań i domów prywatnych istnieją już gotowe rozwiązania. W ogólnym przypadku (dla mieszkania 2–3 pokojowego) mamy następującą architekturę systemu wentylacji:

• w pokojach mieszkalnych montuje się nawiewniki, których liczba zależy od wielkości pomieszczeń i liczby mieszkańców;
• w kuchni i łazience montowane są wyciągowe dyfuzory oraz układane są kanały wentylacyjne do centrali nawiewno-wywiewnej.

Wentylator odśrodkowy obejmuje jednostkę sterującą, system filtracji powietrza, silnik elektryczny i sam wentylator promieniowy.

Do powyższego systemu wentylacji nadają się wentylatory ścienne serii CF produkcji Wents o wydajności do 120 m³/h

Obecny rynek sprzętu wentylacyjnego reprezentowany jest przez szeroką gamę firm zagranicznych: 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.

Produkty tych firm będą doskonałym rozwiązaniem dla zadań wentylacyjnych o dowolnej skali.

Nie ustępują im jakością produkcji i niezawodnością sprzętu rodzime marki Wents, Elkom, Domowent i Weza. W razie wątpliwości co do dokładności wykonanych obliczeń lub wyboru konkretnego modelu, zalecamy skontaktowanie się z działem wsparcia którejś z firm.

Jeżeli jest Pan/Pani właścicielem prywatnego domu 1–2 piętrowego, budynku produkcyjnego lub komercyjnego o podobnej powierzchni (restauracja, magazyn, jadalnia, kawiarnia, biuro), przy wyborze sprzętu należy uwzględnić objętość pomieszczeń, krotność wymiany powietrza, długość i przekrój kanałów głównych.

Z zadaniami wentylacji i odprowadzania dymu łatwo poradzą sobie wielostrefowe wentylatory dachowe serii KROM firmy Weza, wentylatory serii WN firmy Wents i inne

Obowiązkowo należy zwracać uwagę na dodatkową funkcjonalność wentylatorów odśrodkowych i możliwość integracji z różnorodnymi systemami klimatyzacji.

Tak, wentylatory promieniowe mogą być wyposażane w dodatkowe komponenty:

• regulowanymi timerami i przełącznikami interwałowymi, fotodetektorami i czujnikami wilgotności;
• regulatorami prędkości i wskaźnikami stanu;
• czujnikami przeciążenia silnika elektrycznego i braku zasilania sieciowego;
• sprężynowymi amortyzatorami drgań lub gumowymi izolatorami drgań.

Jeżeli wentylator jest umieszczony wewnątrz mieszkania lub domu, można go zakryć zdejmowanym przednim panelem dekoracyjnym z aluminium lub tworzywa sztucznego, uwzględniając wystrój pomieszczenia.

Dla wielu użytkowników istotnym kryterium przy wyborze wentylatora jest poziom hałasu. Wybiera Pan/Pani cichy wentylator do łazienki? Zalecamy zapoznanie się z rankingiem wentylatorów bezgłośnych.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W następnym filmie specjaliści firmy Elkom przystępnie opowiadają o wentylatorach odśrodkowych:

Poniżej pokazano doskonały przykład montażu wentylatora domowego w łazience:

Jeszcze jeden wariant instalacji domowego wentylatora małej mocy w mieszkaniu:

Klasyczny wentylator odśrodkowy jest wynikiem wieloletniego doświadczenia w projektowaniu i produkcji sprzętu wentylacyjnego. Jest to nie tylko doskonałe rozwiązanie dla przemysłu, ale także optymalne narzędzie do transportu powietrza dla pomieszczeń mieszkalnych i biurowych.

Zastanawia się Pan nad zakupem wentylatora odśrodkowego? A może zauważył Pan niezgodność w przeanalizowanym materiale? Proszę zadawać pytania, wyjaśniać aspekty technologiczne w bloku komentarzy.

A może zainstalował Pan już taki wentylator w łazience? Czy jest Pan zadowolony z jego pracy? Czy wybrał Pan odpowiednią moc urządzenia do swojego pomieszczenia? Proszę przysyłać zdjęcia swojego wentylatora i zostawiać komentarze.