Vliv ventilátorové komory na vzduchový výkon a akustiku volně oběžných kol
Úvod
Společnost Ziehl-Abegg provedla celou řadu různých experimentálních zkoušek, jejichž cílem bylo zkoumání vlivu klimatizačních jednotek na vzduchový výkon a akustické vlastnosti volně oběžných kol s dozadu zahnutými lopatkami. Klimatizační jednotky a VZT zařízení (Air Handling Unit) se používají pro klimatizaci obytných domů, konferenčních centrech, kanceláří, průmyslových objektů apod. Vývoj trhu za posledních 10 let ukázal, že ventilátory se spirální skříní byly ve VZT zařízeních ve většině aplikací nahrazeny radiálními volně oběžnými koly (zkráceně VOK). Evropská legislativa určuje trend směrem k účinnějším a tišším ventilátorům. Za účelem možnosti posuzování vlivu stěn klimatizačních jednotek na vzduchový výkon a akustiku VOK již ve fázi návrhu jednotek provedla společnost Ziehl - Abegg na speciálním zkušebním zařízení rozsáhlá měření. S pomocí tohoto zkušebního zařízení bylo možné simulovat chování VOK v různých podmínkách zástavby. Výsledky těchto simulací slouží asociaci kvality GZ 652 (dříve sdružení výrobců RLT zařízení) ke kontrole kvality výroby VZT zařízení. První měření vzduchových výkonů a akustická měření v zástavbě simulující klimatizační jednotku byla provedena ve spolupráci s universitou v Heilbronnu. Tato měření byla později ověřena měřeními v moderních kombinovaných měřících komorách (vzduchový výkon/akustika) v nové zkušební laboratoři Invent. Výsledky těchto testů byly použity pro odvození algoritmů, které byly implementovány do návrhového programu FANselect. Tento návrhový program masívně využívají výrobci klimatizačních jednotek. Správnost algoritmů pro výpočet vlivů stěn klimatizační jednotky v programu FANselect byla potvrzena četnými měřeními v klimatizačních jednotkách celé řady uživatelů ventilátorů Ziehl-Abegg.
Pro klimatizaci budov, konferenčních center, skladů nebo pro klimatizaci výrobních hal se VOK prosadila ca. před deseti lety. Typický modul VOK s motorem určený pro zástavbu do ventilátorové komory je zobrazen na obr. 1. Charakteristické pro tyto ventilátory je to, že volně oběžná kola pro efektivní výkon nepotřebují skříň. Na obr. 2 vpravo je zobrazen typický ventilátor ve spirální skříni s řemenovým převodem.
Volně oběžná kola jsou namontována přímo na hřídeli motoru, proto nevznikají žádné ztráty na převodu přes řemenový pohon. Ztráty řemenového převodu podle praktických zkušeností činí až 15% příkonu. V aplikacích, ve kterých se dbá na hygienu, má použití VOK s přímým pohonem kol tu výhodu, že může být na straně výstupu z ventilátorů vynechán druhý filtrační stupeň (podle VDI 6022-4.3.14) . Nároky na údržbu VOK jsou nižší, protože odpadá údržba řemenového převodu. Dobrý přístup k VOK umožňuje snadné čištění. Závěrem lze konstatovat, že ventilátory s VOK v současné době v klimatizačních jednotkách už nahradily ventilátory se spirální skříní, typická aplikace je na obr. 3.
Obr.2: Schematický nákres ventilátoru ve spirální skříni s řemenovým převodem
Obr. 3: Ventilátor s VOK zabudovaný v klimatizační jednotce
Vstupní sací hrdlo a motor s oběžným kolem tvoří sestavu, která je namontována na jednom rámu . Tato ventilátorová jednotka je zabudována do ventilátorové komory přes elastická připojení. Modul je posazena na gumových nebo pružinových tlumičích a pro připojení na straně sání se používají pružné manžety. Tyto prvky minimalizují přenos vibrací.
Zkoušky ukázaly, že rozměry vzduchotechnických jednotek významně ovlivňují parametry (vzduchový výkon a účinnost), ale mají také významný vliv na hlukové spektrum ventilátoru. Pro použití VOK ve VZT jednotkách existuje několik doporučení na dodržení vzdáleností kola od stěn komory. Asociace kvality GZ 652 (dříve sdružení výrobců RLT zařízení) doporučuje například minimální vzdálenost A mezi vnějším průměrem D volně běžného kola a stěnami vzduchotechnické jednotky v rozsahu 0,3 až 0,4 * D.
Protože se v praxi způsoby zástaveb liší, proto bylo v Ziehl-Abegg navrženo a vyrobeno speciální zkušební zařízení s posuvnými bočními stěnami (viz obr. 4) .
Obr. 4: Zkušební zařízení pro simulaci vlivu vzdálenosti stěn na vzduchový výkon VOK
Tohoto zkušební zařízení umožňuje nastavení vzdálenosti stěn vůči VOK , nastavení vzdáleností je velmi variabilní a umožňuje stanovit doporučené vzdálenosti na základě experimentálních měření. Obrázek 5 ukazuje čtyři různé zástavby, které byly zkoumány.
Obr. 5: a) symetrické umístění
b) nesymetrické umístění (uprostřed)
Obr. 5: c) nesymetrické umístění (vlevo nahoře)
d) nesymetrické umístění (nahoře)
Na základě charakteristik a měření relativních úrovní akustického tlaku jsme stanovili činitele vzduchového výkonu, které byly implementovány do výběrového programu ventilátorů společnosti Ziehl - Abegg. Pomocí zjištěných faktorů vlivu vzdáleností stěn na vzduchový výkon je možné vliv zástavby zohlednit již ve fázi konstrukce jednotek.
Popis měření
Aby bylo možné simulovat různé instalace, bylo zkušební zařízení navrženo s pohyblivými stěnami . Obrázek 4 vlevo znázorňuje testovací zařízení schematicky, fotografie vpravo znázorňuje toto zařízení namontované na straně sání měřící komory, tak jak bylo použito na universitě v Heilbronnu. Čtyři v praxi nejčastější způsoby instalací jsou znázorněné na obr. 5 a) až d). Souměrným nebo nesouměrným posunováním čtyř stěn bylo možné flexibilně simulovat tyto čtyři různé možnosti vestavby ventilátorů do vzduchotechnické jednotky.
Zkoušky, které předcházely při různých otáčkách ventilátoru ukázaly, že relativní změna výkonové křivky při různých vzdálenostech od stěn je nezávislá na otáčkách. Proto na měřící trati university v Heilbronnu byla všechna měření provedena při konstantních otáčkách 2000 ot./min. Hladina akustického tlaku byla měřena ve vzdálenosti 1 m vždy ve třech reprezentativních pracovních bodech a byla zjišťována relativní změna hladiny akustického tlaku v závislosti na poloze bočních stěn. Vzdálenosti bočních stěn byly stanoveny podle různých doporučení s ohledem na komerční standardy, které jsou obvyklé pro vzduchotechnické jednotky v Německu.
Výsledky
Měření ukázala, že při dodržení doporučené minimální vzdálenosti A v rozsahu 0,3 * D až 0,35 * D (D = vnější průměr oběžného kola) je vliv vzduchotechnické jednotky na výkonové charakteristiky ventilátoru ve všech čtyřech různých montážních situacích téměř totožný. Při nedodržení minimálních vzdáleností A pak působí tyto čtyři různé zástavby na parametry ventilátoru rozdílně. V případě nedodržení minimálních vzdáleností se vždy zhorší tonální hluk, a to výrazným způsobem. Vzhledem k evropským směrnicím pro instalace, které doporučují způsoby vestaveb pro ventilátory v Evropě, jsme omezili tyto studie na obvyklé rozměry jednotek. Obrázek 6 ukazuje naměřené křivky ventilátoru při změně rozměrů jednotky pro reprezentativní montážní polohu podle obr. 4 a).
Obr. 6: Vliv rozměrů jednotky na výkonové křivky VOK
Přerušované křivky v tomto grafu ukazují, že při nedodržení minimálních vzdáleností A prudce rostou ztráty. Například se stěnou ve vzdálenosti A = 0,1 * D je vzduchový výkon VOK o 10 % nižší než jsou jeho deklarované parametry. K tomu se v důsledku interakce mezi oběžným kolem a bočními stěnami výrazně zvýší tonální hluk (hluk s tónovými složkami). To vede k výraznému zhoršení akustického chování celého zařízení a může se stát, že budou nutná nákladná opatření na ochranu proti hluku. Průběh naměřených křivek ukazuje, že nedodržení minimální vzdálenosti A od stěn má za důsledek snížení vzduchového výkonu ventilátoru, přičemž statický tlak zůstává prakticky beze změny. Obrázek 7 ukazuje vliv rozměrů zařízení na účinnost ventilátoru.
Obr. 7: Vliv rozměrů jednotky na statickou účinnost VOK
Jak se dalo očekávat, účinnost ventilátoru klesá se zkrácením vzdálenosti stěn jednotky od VOK.
Měření určila jakým způsobem jsou ovlivňovány objemové průtoky vzdáleností VOK od stěn jednotky. Z těchto měření odvodil Ziehl-Abegg koeficient pro průtoková množství vzduchu, viz obr. 8.
Obr. 8: Koeficient K průtokového množství v závislosti na referenční ploše X
Tento graf určuje koeficient K objemového množství vzduchu v závislosti na referenční ploše X, která je definována takto :
X = (šířka komory * výška komory) / (4 * D2), kde D = průměr oběžného kola.
Z měření byly odvozeny algoritmy, pomocí kterých mohou konstruktéři klimatizačních zařízení již ve fázi konstrukce předvídat vlivy rozměrů vzduchotechnické jednotky na výkon a akustické vlastnosti ventilátorů. Tyto algoritmy firma Ziehl-Abegg implementovala do návrhového programu FANselect, který je volně dostupný na www.ziehl-abegg.cz.
Obrázek 9 ukazuje pro ověření algoritmu znehodnocení charakteristiky, které slouží jako srovnání mezi měřením a výpočtem. Jako výchozí zdroj pro výpočet byla použita katalogová křivka (souvislá křivka tučně), která byla naměřena na standardní měřící trati s volným výtlakem bez vlivu vestavby do jednotky. Naměření křivka (souvislá křivka) se téměř shoduje s vypočítanou křivkou pomocí koeficientu K (přerušovaná křivka).
Obr. 9: Srovnání křivek ventilátoru v jednotce (výpočet vs. měření )
Měření vlivů stěn na vzduchový výkon a akustiku byla opakována v kombinovaných tratích nové laboratoře firmy Ziehl - Abegg v Künzelsau. Kombinované měřící tratě měří současně vzduchové výkony a hlukové parametry. Tato nová měření potvrdila původní měření na universitě v Heilbronnu a dávají jistotu konstruktérům při návrhu nových řešení vzduchotechnických jednotek.
Další krokem ve vývoji VOK je nové kolo Cpro. Toto kolo je určeno především pro použití ve vzduchotechnických jednotkách a představuje další generaci „plug fans“. Kolo Cpro bylo vyvinuto s ohledem na co nejvyšší výkon, vysokou účinnost a dobrou akustiku. Tím, že Cpro má tvarované lopatky ve 3D je toto kolo tišší a šetří zákazníkům časově a finančně náročná akustická izolační opatření. Zvýšená účinnost oběžného kola Cpro uživatelům umožňuje dosáhnout až 15 % úspory elektrické energie. Díky speciálnímu kompozitnímu materiálu ZAmid dosahuje Cpro vyšší vzduchové výkony než obdobné výrobky . Oběžné kolo Cpro je vyrobeno z jednoho kusu a nemá tedy žádné sváry nebo jiná spojení, která jsou kritická při posuzování pevnosti kola. Proto jeho max. obvodové rychlosti jsou srovnatelné s ocelovými koly a v tomto parametru se mu nevyrovná žádné jiné kolo z kompozitního materiálu. Náhradou oceli je u Cpro snížena hmotnost o více než 50 % ve srovnání s ocelovým kolem. Snížená hmotnost kola Cpro zásadním způsobem šetří ložiska motoru , což zajišťuje delší životnost systému . Kromě toho snižuje náklady za dopravu a usnadňuje manipulaci. Stávající ocelová kola lze vyměnit a bez jakýchkoliv omezení lze místi nich použít Cpro. Rozsah pracovních teplot je od -20 ° C do +80 ° C. Oběžné kolo je odolné proti korozi a stálobarevné díky stabilizovanému kompozitnímu materiálu. Technologie Cpro ZAmid znamená úspory energie a snížení emisí CO2 od okamžiku výroby kola až do konce jeho životnosti. Dalším plusem je výborná kompatibilita s ochrannou životního prostředí. Na konci životního cyklu VOK Cpro je možné materiál recyklovat. Kolo se rozdrtí, na 100 % se může využít pro stejný nebo jiný výrobek a nevznikne žádný odpad .
Závěr
Chování vestavných ventilátorů s VOK ve vzduchotechnických jednotkách byla studována a experimentálně měřena společností Ziehl-Abegg. Vzdálenost pevných stěny ve směru výtlaku ventilátoru mají na vzduchový výkon a akustiku podobné vlivy jako změna šířky lopatek VOK. Při snižování vzdálenosti mezi stěnou a oběžným kolem se snižuje vzduchový výkon ventilátoru, podobně jako při snižování šířky lopatek radiálního oběžného kola. Porovnávací měření v zařízeních zákazníků s hodnotami ze selekčního programu FANselect ukázala velmi dobrou shodu.
Výrobce širokého sortimentu axiálních, radiálních, diagonálních, tangenciálních ventilátorů, výtahových pohonů. Portfolio pokrývá požadavky OEM partnerů, výrobců vzduchotechnických, chladírenských zařízení, filtračních zařízení a technologických celků. ...