Prvky větracích a klimatizačních zařízení (I) - 2. část

4. VENTILÁTOR V POTRUBNÍ SÍTI

Na obrázku 7 je naznačeno rozložení tlaku v potrubní síti, v níž je zařazen ventilátor. Sání i výtlak vzduchu je uskutečňován v prostoru o stejném tlaku p_a. V sací větvi potrubní sítě (1) je zařazena klapka, která způsobuje místní tlakovou ztrátu. Ve výtlačné větvi (2) je umístěno náhlé zúžení průřezu, které kromě místní tlakové ztráty způsobuje zvýšení rychlosti proudění a tím i dynamického tlaku

Celkový tlak v potrubní síti p_c je roven součtu statického p_s a dynamického tlaku p_d. Z obrázku 7 vyplývá, že celkový dopravní tlak ventilátoru Δp je dán rozdílem celkových tlaků na výtlaku p_c1 a sání p_c2 ventilátoru, resp. je roven součtu tlakových ztrát potrubní sítě Δp_z (sání i výtlak) a dynamického tlaku na výtlaku z potrubí p_d2.

Obrázek 7 - Průběh tlaku v potrubní síti ventilátoru

Na obrázku 8 je znázorněn případ, kdy je výtlak z ventilátoru uskutečňován přímo do okolí. Průběh rozložení tlaku v potrubní síti je obdobný a rovnice (4.2) platí i v tomto případě s tím rozdílem, že tlaková ztráta výtlačného potrubí Δp_z2 = 0.

Obrázek 8 - Průběh tlaku v potrubní síti ventilátoru s výtlakem do okolí

4.1. CHARAKTERISTIKA POTRUBNÍ SÍTĚ

Ventilátor v potrubní síti zajišťuje dopravu vzduchu přičemž má za úkol překonávat hydraulické odpory (ztráty) v potrubí. Tlaková ztráta potrubní sítě je dána součtem tlakových ztrát třením a místními odpory.

kde

w	rychlost proudění [m/s]
l	délka potrubního úseku [m]
d	charakteristický rozměr (průměr) potrubí [m]
K	konstanta potrubní sítě [Pa.s2/m6]
λ	součinitel tření [-]
ζ	součinitel místních ztrát [-]
V	objemový průtok vzduchu [m3/h]

Jak vyplývá z rovnice (4.3), charakteristiku potrubní sítě tvoří parabola s vrcholem v počátku souřadnicového systému. Na obrázku 9 je zakreslena charakteristika potrubní sítě Δp_z = f(V) společně s tlakovou charakteristikou ventilátoru Δp = f(V). V průsečíku obou charakteristik leží pracovní bod.

Obrázek 9 - Obecná charakteristika ventilátoru a potrubní sítě

4.2. PARALELNÍ ŘAZENÍ VENTILÁTORŮ

Pokud chceme dosáhnout vysokého objemového průtoku vzduchu (nebo z důvodu regulace průtoku), lze zařadit ventilátory paralelně vedle sebe.

Na obrázku 10 je znázorněna tlaková charakteristika dvou stejných paralelně řazených ventilátorů, která se získá součtem objemových průtoků, při stejném dopravním tlaku. Modře je znázorněna charakteristika potrubní sítě. Jak vyplývá z obrázku, paralelním zařazením dvou stejných ventilátorů do dané potrubní sítě se nezíská dvojnásobný průtok vzduchu (V2 < 2V1). Při zařazení dvou nestejných ventilátorů, resp. ventilátorů s různým celkovým dopravním tlakem, může dojít ke vzniku zpětného proudění ve ventilátoru s nižším dopravním tlakem.

Obrázek 10 - Tlaková charakteristika dvou stejných paralelně řazených ventilátorů

4.3. SÉRIOVÉ ŘAZENÍ VENTILÁTORŮ

Sériové řazení ventilátorů se používá zřídka, většinou, když chceme dosáhnout vyšších dopravních tlaků.

Na obrázku 11 je znázorněna tlaková charakteristika dvou stejných sériově řazených ventilátorů, která se získá součtem celkových dopravních tlaků při stejném objemovém průtoků. Teoretický výsledný dopravní tlak nedosáhne dvojnásobku celkového dopravního tlaku jednoho ventilátoru (Δp2 < 2Δp1), jak je zřejmé z obrázku. Navíc první ventilátor narušuje proudění před druhým, což může výsledný dopravní tlak ještě o něco snížit.

Obrázek 11 - Tlaková charakteristika dvou stejných sériově řazených ventilátorů

5. REGULACE VENTILÁTORŮ

5.1. REGULACE ŠKRCENÍM

Regulace škrcením se provádí nejčastěji klapkami, které se zařazují buď před, nebo za ventilátor, čímž dojde ke změně charakteristiky potrubní sítě (změna místního odporu) a tím ke změně pracovního bodu ventilátoru (obrázek 12). Z hlediska energetické náročnosti se jedná o regulaci ztrátovou. Výkon, který se škrcením zmaří, je

Obrázek 12 - Regulace ventilátoru škrcením s naznačením zmařeného výkonu

5.2. REGULACE ZMĚNOU OTÁČEK

Regulace změnou otáček motoru je jednou z nejhospodárnějších regulací. Při změně otáček dojde ke změně charakteristiky ventilátoru, při zachování charakteristiky potrubní sítě (obrázek 13). Při změně pracovního bodu z 1 na 2 však dojde ke změně účinnosti ventilátoru (zpravidla k horšímu, pokud bod 1 je optimální pracovním bodem ventilátoru). Existuje několik možností, jak měnit otáčky motoru.

Víceotáčkové motory

Základní možností je použití víceotáčkových motorů (zpravidla dvou-, nebo tří-otáčkových). Změna otáček je uskutečňována skokově, přepínáním počtu pólů u asynchronních motorů. Otáčky rotoru lze stanovit ze vztahu

kde

f	frekvence [Hz]
p	počet pólů [-]
s	skluz (po rozběhu bývá skluz od 2 do 5 %)

Napěťová regulace

Napěťová regulace je založena na změně napětí, která je uskutečňována zařazením odporu do obvodu rotoru (např. motory s kroužkovou kotvou). Regulace výkonu ventilátoru může probíhat např. v 5-ti stupních s krokem cca 20 %, čemuž odpovídá 5 pracovních charakteristik ventilátoru. Tento způsob regulace je vhodný pro nízkotlaké ventilátory, neboť část příkonu elektromotoru se přeměňuje na teplo.

Kmitočtová regulace

Optimální regulací z hlediska energetické náročnosti je regulace kmitočtu. Jedná se o plynulou regulaci výkonu, která umožňuje regulovat průtok vzduchu v plném rozsahu od 0 do 100 %. Pro tento typ regulace se používají frekvenční měniče a lze použít pro všechny typy ventilátorů. Zejména je tato regulace vhodná pro vyšší výkony ventilátorů. Otáčky elektromotoru při změně frekvence, lze spočítat podle rovnice (5.2).

Obrázek 13 - Regulace ventilátoru změnou otáček ventilátoru

5.3. REGULACE NATÁČENÍM LOPATEK

Natáčením lopatek (ve směru shodném s otáčením oběžného kola) v sání radiálních ventilátoru s dozadu zahnutými lopatkami dojde ke změně charakteristiky ventilátoru (snižuje se dopravní tlak). Tím dojde ke změně pracovního bodu ventilátoru. U nízkotlakých ventilátorů se tento druh regulace projevuje jako škrcení.

U axiálních ventilátorů lze použít natáčení lopatek oběžného kola. Takové řešení je sice hospodárné a umožňuje regulaci v širokém rozsahu průtoků, avšak konstrukčně je složité a drahé.

LITERATURA

[1] DRKAL F., Distribuce vzduchu, vzduchotechnické sítě, ventilátory. 2006, Podklady ke kurzu CŽV (nepublikováno)
[2] CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. 1993, Brno: Bolit B-press. 560 s. ISBN 80-901574-0-8
[3] NOVÝ, R. Ventilátory. 1997, Vydavatelství ČVUT, Praha. ISBN 80-01-00987-4