Про високий ККД вентиляторів та ефективність вентиляційних систем

В даний час велика увага приділяється енергоефективності процесів, обладнання і т.д., не становлять виняток і вентиляційні системи. Якщо систему розглядати тільки з точки зору аеродинаміки (тобто не враховувати підвід або відвід теплоти), то аеродинамічно ефективною ми називаємо систему, яка для переміщення необхідної витрати повітря споживає мінімальну потужність. При цьому слід розуміти, що мова йде про якусь вентиляційну систему, яка по своїй конфігурації може бути далеко не оптимальною. Як визначити ефективність вентиляційної системи? Які основні фактори впливають на аеродинамічну ефективність вентиляційної системи? Прості відповіді на ці непрості запитання дають фахівці компанії «Планета Клімату».

У рівній мірі для ефективності вентиляційної системи важливі і коефіцієнт корисної дії вентилятора (ККД) на робочому режимі, і аеродинамічні втрати у вентиляційній системі. Що ми маємо на увазі? Наприклад, для подачі 100000 м3/ч (27,8 м3/с) свіжого повітря в первинному проекті сумарні втрати у вентиляційній системі (включаючи втрати в припливной установці) становили 1500 Па, а після її оптимізації –1000 Па. Якщо прийняти, що вентилятори в обох випадках підібрані належним чином і на робочому режимі вони мають досить високий ККД, рівний 80%, то потужність вентиляторів, що споживається, дорівнюватиме 52 і 35 кВт. Тобто виграш в оптимізації втрат у вентиляційній системі досить значний. Однак, якщо в другому випадку вентилятор підібран не оптимально, наприклад його ККД на робочому режимі тільки 54%, то він буде споживати ті ж 52 кВт, тобто очікуваного ефекту від оптимізації вентиляційної системи не буде.

ККД вентилятора

Розглянемо більш докладно першу складову ефективності вентиляційної системи, а саме ККД вентилятора. Виникає цілком резонне питання: чи потрібно гнатися за високим максимальним ККД вентилятора? Однозначно стверджуємо, що так, хоча і з деякими застереженнями, про які мова піде далі.

Відразу ж необхідно пояснити: існують два коефіцієнта корисної дії – по повним і статичним параметрам. Надалі ми говоримо про повне ККД вентилятора, якщо мова йде про мережі на всмоктуванні і нагнітанні вентилятора, і про статичне ККД, якщо мережа розташована тільки на всмоктуванні.

Існує ряд національних та міжнародних стандартів, які так чи інакше встановлюють градації ефективності різних типів вентиляторів. Наприклад, у міжнародному стандарті ISO 12759:2010 «Вентилятори. Класифікація за ефективністю» введена класифікація ефективності вентиляторів з різними приводами. В ЄС діє Директива Європейського парламенту та Ради 2009/125/ЄС, в якій прописані вимоги до екологічного проектування продукції, пов'язаної з енергоспоживанням, і Регламент комісії (ЄС) №327/2011 щодо її застосування.

Ще раз повторимо, що вкрай важливо використовувати вентилятори з високим максимальним ККД. На сьогоднішній день максимальний ККД кращих загальнопромислових вентиляторів досягає 85-88%, і очевидно, що це вже край, так як навіть незначне його збільшення пов'язане зі збільшенням вартості вентилятора. Тут варто зробити застереження: у ряді випадків високий повний ККД отриманий за рахунок великої частки динамічного тиску на виході вентилятора (великій швидкості потоку на виході)! Як правило, найбільш високий максимальний ККД мають вентилятори гостро налаштовані на певний вузький діапазон роботи. Але для побудови енергоефективної вентиляційної системи важливо, щоб вентилятор на розрахунковому режимі мав високий ККД, в ідеалі близький до максимального значення. У Директиві Європейського парламенту та Ради 2009/125/ЄС на це прямо вказано: робочий діапазон вентилятора повинен бути обмежений областю, в якій ККД вентилятора не нижче 0,9 від його максимального значення. Наскільки нам відомо, мало хто з вітчизняних проектувальників зараз підбирає робочий режим вентилятора, враховуючи цю вимогу. Можна потрапити в ситуацію, схематично зображену на рис. 1. Тут вентилятор 1 з максимальним ККД ηmax1 = 0,86 у вентиляційній системі буде працювати менш ефективно (робочий режим – точка А), ніж вентилятор 2 з меншим максимальним ККД ηmax2 = 0,76, але працюючий в оптимальному діапазоні (робочий режим – точка Б). Тобто високий максимальний ККД вентилятора – це не самоціль. Можна провести більш зрозумілу аналогію. Уявіть собі, ви купили дорогий спортивний автомобіль, а їздите по гірських дорогах на першій або другій передачі, так як немає прямих ділянок для швидкісної їзди! Зрозуміло, що мова про ефективне використання автомобіля не йде, так як він експлуатується далеко не в оптимальному режимі.

Рис. 1. Підбір вентилятора на заданий робочий режим:
А – робочий режим вентилятора 1, Б – вентилятора 2.

Останні міжнародні виставки, які відвідували фахівці компанії Планета Клімату, показали, що деякі західні та вітчизняні виробники погано уявляють собі, як певні конструктивні елементи вентилятора впливають на його ККД, або свідомо вводять споживачів в оману. Ми маємо на увазі форму лопаток, радіальні і осьові зазори між лопатками, колектором і корпусом і т.д. Основне посилання статті: показати як фахівцям, так і споживачам, на що необхідно в першу чергу звертати увагу, щоб за зовнішнім виглядом вентилятора визначити, наскільки він буде ефективний у роботі. Покажемо дуже стисло, що кинулося в очі: величезні радіальні зазори, спрощені втулки і лопатки осьових вентиляторів (рис. 2), спрощені колектори, величезні осьові зазори між колекторами і колесами (рис. 3) і найбільш вражаюче – невідповідність радіального корпусу напрямку обертання робочих коліс (рис. 4). І це все – «кращі» зразки, які спеціально підготовлені до виставки! Якщо Ви хочете мати систему вентиляції з високим ККД, намагайтеся уникати такого виду продукції.

Рис. 2. Осьові вентилятори з спрощенними некрученими лопатками
і великими радіальними зазорами між лопатками і корпусами.

Рис. 3. Величезні зазори між вхідними колекторами і колесами.

Рис. 4. В спіральному корпусі встановлено колесо не того напрямку обертання.

Аеродинамічно ефективний вентилятор не може бути дешевим, так як для його виготовлення необхідно використовувати спеціальне обладнання, якісні комплектуючі, а при зборці повинні витримуватися всі необхідні елементи технології, проводити роботи повинен кваліфікований персонал і т.д. Здешевлення вартості вентилятора за рахунок спрощення конструкції, технології, використання некваліфікованого персоналу і т.д. неминуче призводить до погіршення аеродинамічних характеристик і ККД вентиляторів. Зрештою, купуючи дешевий вентилятор, можна гарантовано отримати шлейф проблем: неможливість вивести систему на необхідні режими, збільшення витрати енергії і т.д. Іншими словами, «скупий платить двічі». Це не завжди означає, що чим дорожче вентилятор, тим він кращий, але зовсім дешевий вентилятор добрим не буває.

Як бути проектувальнику, який відповідає за своє проектне рішення?

Проектувальник вибирає вентилятори по каталогам, не бачачи самих вентиляторів, керуючись своєю практикою, порадами колег, форумом, нарешті. При цьому якщо виробник привів в каталозі реальні параметри вентилятора, то можна сказати, що проектувальнику (або монтажнику) повезло. Але якщо параметри запозичені з каталогу «шановного» виробника, який робить «якісний» вентилятор, то це прямий обман з усіма витікаючими наслідками.

Як бути монтажнику?

Монтажники можуть замінити обладнання, в тому числі і вентилятори, на більш дешеві, так як при цьому мають пряму вигоду. При цьому якщо система не виходить на потрібний режим, то завжди можна послатися на «поганий» проект. Наскільки нам відомо, рідко справа доходить до того, що для вирішення спору вентилятор випробовується в аеродинамічній лабораторії.

На жаль, в Україні відсутній незалежний орган (лабораторія), який міг би дати кваліфіковану технічну оцінку тому, що є на вентиляційному ринку.

Тут хотілося б зробити зауваження. Уявіть собі: ви спроектували вентиляційну систему, підібрали вентилятор відомого виробника з високим максимальним ККД, монтажники все реалізували на об'єкті в металі без відступів від проекту, але при наладці виявилося, що вентилятор не виходить на задану витрату повітря. У чому проблема? З великою часткою ймовірності – в з'єднанні вентилятора з мережею (у західній технічній літературі – System Factor). Іншими словами, елементи вентиляційної мережі, розташовані перед вентилятором, можуть погіршувати його аеродинамічні характеристики. Так само як і вентилятор може збільшувати аеродинамічні втрати в елементах мережі, розташованих безпосередньо на його виході. Але це вже зовсім інша тема.

Завершуючи тему вентиляторів з високим ККД, слід сказати, що існує розхожа думка, що проблему малого ККД вентилятора на розрахунковому режимі (або ж неоптимальному вибору вентилятора) може вирішити частотний перетворювач. Воно помилково. Частотний перетворювач змінює частоту обертання колеса, і відповідно тиск і споживану потужність, але не змінює його ККД (якщо не міняються характеристики самої вентиляційної системи). Наприклад, при зменшенні частоти обертання споживана вентилятором потужність зменшується пропорційно кубу зменшення частоти обертання. Тобто має місце пряма вигода. Але при цьому ККД вентилятора залишається незмінним, і якщо вентилятор спочатку погано підібраний, то він і буде продовжувати працювати з низьким ККД при всіх частотах обертання. До речі сказати, що при частотному регулюванні існує ряд питань, на які поки не звертають уваги. Загальний ККД приводу (електродвигун плюс частотний привід) сильно залежить від частоти обертання, завантаження електродвигуна і частотного перетворювача. У ряді випадків, незважаючи на високий вихідний ККД вентилятора, загальний ККД системи може зменшитися на 20-30%. Крім цього, при малих частотах обертання погіршуються умови охолодження електродвигуна при збільшенні внутрішніх тепловиділеннях електродвигуна. Фахівці компанії Планета Клімату вже давно намагаються в своїй практиці уникати, якщо це можливо, застосування вентиляторів, продуктивність яких регулюється частотним перетворювачем. Як показала практика найбільш виграшним варіантом є вентилятори з електронно-комутованим двигуном (так звана EC-технологія).

Аеродинамічні втрати у вентиляційній системі

Про другу сторону цього питання, а саме про аеродинамічні втрати вентиляційної системи або про те, як побудована сама система. Для вентиляційної системи основним параметром є витрата повітря, а необхідний тиск вентилятора є похідною величиною, яка залежить від безлічі параметрів: швидкості повітря в повітроводах, конфігурації повітроводів і т.д. Таким чином, щоб збільшити ефективність вентиляційної системи, необхідно не тільки використовувати вентилятор з високим ККД на робочому режимі, а й оптимізувати аеродинамічні втрати в самій системі. Говорячи про аеродинамічну оптимізацію вентиляційної системи, ми маємо на увазі, що це не тільки зменшення втрат тертя в повітроводах, втрат в мережевих елементах і т.д., а й раціональна побудова самої вентиляційної системи. Повернемося до більш зрозумілою аналогією з автомобілем. Для мінімізації витрат палива при перевезенні великого вантажу за маршрутом з заїздами в ряд віддалених від магістралі населених пунктів маршрут повинен бути відповідним чином оптимізован. Наприклад, можна пустити по маршруту дві менш вантажопідйомні машини (розбиття вентиляційної системи на дві), можливо пустити одну велику машину, а для заїзду в віддалені населені пункти використовувати менш вантажопідйомні машини (використання вентиляторів-доводчиків) і т.д.

Оптимізація вентиляційних мереж – досить обширна тема, і ми пропонуємо розповісти про неї найближчим часом в окремій статті.

Правила використання матеріалів сайту