Р. К. Эсманский, ООО «КлиматВентМаш»

Термин «канальный вентилятор» возник вместе с появлением в 1970-х годах специальных конструкций радиальных вентиляторов с приводом от асинхронного двигателя с внешним ротором. Вентиляторы, получившие название «канальные», предназначались для встраивания в воздуховод без изменения его конфигурации.
Таким же свойством обладают применявшиеся задолго до этого осевые, радиальные прямоточные и смешанные (диагональные) вентиляторы с приводом от стандартного двигателя. Некоторые из них стали носить новое объединяющее их название.

Канальные вентиляторы легки в монтаже. Многие из них выпускаются с корпусом, который имеет многослойные стенки для звукоизоляции вентилятора. Канальные вентиляторы позволяют более рационально прокладывать воздуховоды и эффективнее использовать объем зданий. Зачастую канальные вентиляторы позволяют расположить всю систему вентиляции за подвесными потолками или сделать несколько локальных систем вместо одной центральной. Такие решения дают возможность снизить протяженность воздуховодов.

Наиболее распространены канальные вентиляторы с радиальным рабочим колесом. Они универсальны, потому что развивают давления выше, чем создаваемые другими типами канальных вентиляторов. Их используют не только на вытяжку, но и для обслуживания систем вентиляции с фильтрами, теплообменниками и другими элементами, значительно увеличивающими аэродинамическое сопротивление сети.

За 30 лет развития радиальных канальных вентиляторов сложился стереотип — двигатель с внешним ротором является незыблемой основой вентилятора, стандартный двигатель может применяться лишь в частных случаях. В данной статье показано, что это не так.

Рисунок 1. Рабочий модуль вентилятора с обращенным двигателем: а — с осевым, б — с диагональным, в — с радиальным колесами; 1 — двигатель, 2 — рабочее колесо, 3 — обечайка, 4 — коллектор

Двигатель с внешним ротором

По-другому такой двигатель еще называют обращенным двигателем. Основной вклад в появление двигателей с внешним ротором для вентиляторов внесли Х. Циль, В. Гебхардт и Г. Штурм. Благодаря их усилиям, в 1960—1970-х годах в Западной Германии было организовано массовое производство двигателей с внешним ротором. Расположенный снаружи ротор исключает потребность в принудительном охлаждении двигателя и позволяет легко закреплять его за торцевую часть статора к корпусным деталям. Почти весь двигатель находится внутри рабочего колеса (рис. 1) и, как правило, интенсивно обдувается воздушным потоком, что позволяет, судя по данным производителей [1], перегружать его, иногда до 30 % при номинальных частоте и напряжении.

Рисунок 2. Стандартный и обращенный асинхронные двигатели: а — стандартный, б — обращенный

На рис. 2 представлено соотношение размеров стандартного и обращенного асинхронных двигателей с близкими по значению установочными мощностями и одинаковым числом полюсов.

В табл. 1 приведено сравнение массогабаритных показателей некоторых распространенных типоразмеров двигателей.

Как видно из табл. 1, разные по исполнению двигатели примерно одинаковы по массе, но стандартные двигатели меньше в поперечном сечении и значительно длиннее.

Канальные вентиляторы с приводом от двигателя с внешним ротором

В 1973 году Г. Остберг создал новую конструкцию прямоточного радиального вентилятора в круглом корпусе для использования двигателя с внешним ротором. От ранее существовавших решений [2] она отличалась конфузорностью задней части корпуса и упрощенным спрямляющим аппаратом в виде двух пластин-«плавников» (рис. 3).

Рисунок 3. Круглые прямоточные радиальные вентиляторы: а — с приводом от стандартного двигателя, б — с приводом от двигателя с внешним ротором; 1 — коллектор, 2 — рабочее колесо, 3 — корпус, 4 — спрямляющий аппарат, 5 — двигатель

В 1974 году этот вентилятор стала выпускать шведская фирма «Каналфлект». Технологичное мотор-колесо, тонколистовые штампованные детали корпуса и кронштейна (спрямляющего аппарата), собираемые без сварки, позволили освоить вентилятор в массовом производстве. Конструкция получилась простой и недорогой. Она удовлетворяла многим потребностям канальной вентиляции и получила всеобщее признание.

В дальнейшем Г. Остберг доработал эту конструкцию для автоматизированной сборки [3] и организовал автоматизированное производство радиальных вентиляторов в круглом корпусе.

Рисунок 4. Прямоугольный вентилятор с плашмя лежащим радиальным колесом с вперед загнутыми лопатками и обращенным двигателем: 1 — корпус, 2 — обечайка, 3 — направляющий аппарат, 4 — коллектор, 5 — рабочее колесо, 6 — двигатель, 7 — кронштейн

Следующей разработкой Г. Остберга стала конструкция более мощного канального вентилятора — в прямоугольном корпусе. Чтобы обеспечить минимальную высоту канального вентилятора при использовании мощных двигателей с внешним ротором, радиальное колесо пришлось расположить в корпусе плашмя (рис. 4).

В корпус вентилятора встроен карман, который на входе в рабочее колесо обеспечивает поворот потока на 90°. Во входном кармане располагается направляющий аппарат, который представляет собой пластину, закрепленную на входе в рабочее колесо и ориентированную вдоль корпуса вентилятора. Направляющий аппарат существенно снижает закрутку потока, приводящую к аэродинамическим потерям при повороте потока на входе в рабочее колесо. Рабочее колесо выполнено с вперед загнутыми лопатками, поэтому боковая поверхность отсека рабочего колеса ограничена спиральной обечайкой.

Без этой обечайки радиальное колесо с вперед загнутыми лопатками не может эффективно работать.

Позже в таком же корпусе появились канальные вентиляторы с радиальным колесом с назад загнутыми лопатками. Такие колеса могут применяться и без спирального корпуса. В этом случае их называют свободно вращающимися колесами. Отказ от спиральной обечайки позволяет разместить в прямоугольном корпусе колеса большего диаметра и снизить шум вентилятора. Это стало причиной использования плашмя лежащих свободно вращающихся колес (рис. 5).

Рисунок 5. Прямоугольный вентилятор с плашмя лежащим свободно вращающимся радиальным колесом и обращенным двигателем: 1 — корпус, 2 — направляющий аппарат, 3 — коллектор, 4 — двигатель, 5 — рабочее колесо, 6 — кронштейн
Рисунок 6. Прямоугольный радиальный прямоточный вентилятор с обращенным двигателем: 1 — корпус, 2 — двигатель, 3 — рабочее колесо, 4 — коллектор
Рисунок 7. Квадратный радиальный прямоточный вентилятор с обращенным двигателем: 1 — корпус, 2 — кронштейн, 3 — коллектор, 4 — рабочее колесо, 5 — двигатель

Появление прямоугольных (рис. 6) и квадратных (рис. 7) вентиляторов с радиальными прямоточными колесами — результат дальнейшего развития канальных вентиляторов с приводом от двигателей с внешним ротором. Корпуса такой формы с аэродинамической точки зрения предпочтительнее круглого корпуса с упрощенным спрямляющим аппаратом. Углы корпуса являются более эффективным средством для преодоления закрутки выходящего из колеса потока и повышения статического давления вентилятора [4].

В приведенных результатах обработки данных фирменных каталогов «Rosenberg» и ebm [5], показано влияние формы корпуса на аэродинамическую характеристику вентилятора при одинаковом зазоре между рабочим колесом и боковыми стенками корпуса, равном 0,2 (табл. 2).

В круглых и квадратных корпусах, наряду с радиальными колесами, используются диагональные колеса. При одинаковых размерах корпуса вентилятора они обеспечивают больший расход.

Еще одной разновидностью канальных вентиляторов с приводом от двигателя с внешним ротором стали радиальные вентиляторы двустороннего всасывания, помещенные в прямоугольный ящик с многослойными звукоизолирующими стенками и соосно расположенными входным и выходными патрубками. В этой конструкции используется принцип, который был известен задолго до появления двигателей с внешним ротором и реализован в большинстве центральных кондиционеров (рис. 8).

Рисунок 8. Каркасно-панельный вентиляторный блок с вентилятором двустороннего всасывания и клиноременным приводом от двигателя: 1 — корпус, 2 — двигатель, 3 — клиноременная передача, 4 — вентилятор двустороннего всасывания, 5 — рама, 6 — виброопора, 7 — мягкая вставка

Канальные вентиляторы с приводом от стандартного двигателя

С появлением прямоточных канальных вентиляторов в квадратном и прямоугольном корпусах стали беспрепятственными вынос двигателя из рабочего колеса и применение в приводе стандартных двигателей.

В ходе изучения возможностей таких конструктивных изменений фирма «КлиматВентМаш» установила, что без увеличения поперечного габарита в прямоугольных канальных вентиляторах можно существенно повысить их энерговооруженность, и с 2001 года начала производить прямоугольные вентиляторы с радиальными колесами с назад и вперед загнутыми лопатками и приводом от встроенного внутрь корпуса стандартного двигателя (рис. 9 и 10).

Рисунок 9. Вентилятор ВРПП [5]	Рисунок 10. Вентилятор ВРПД [5]

Квадратные радиальные вентиляторы (рис. 11) стали выпускать еще раньше [4]. Есть их модификация для круглых каналов (рис. 12).

Рисунок 11. Вентилятор ВРКК [5]	Рисунок 12. Вентилятор ВРКК для круглых каналов [5]

Сравнительный анализ конструкций канальных вентиляторов

Особенностью канальных вентиляторов является конкретная связь между размерами их патрубков и поперечным сечением остального сетевого оборудования, которое стандартизовано по типоразмерам патрубков. Это позволяет говорить о некоторых характерных скоростях потока в патрубках канального вентилятора и при сравнении типоразмеров вентиляторов одного семейства или разных видов вентиляторов оперировать давлениями, которые развивает вентилятор на характерных скоростях.

В качестве характерной скорости для прямоугольного вентилятора можно принять скорость 3,5 м/с в проходном сечении присоединительного патрубка, которая присуща работе на приток и на вытяжку через круглые воздуховоды с диаметром примерно равным наименьшему размеру поперечного габарита вентилятора.

За характерную скорость вентилятора для круглых каналов принято 5,5 м/с в проходном сечении присоединительного патрубка, что присуще работе на приток и на вытяжку. При прохождении через фильтры или водяные теплообменники, встроенные в круглые воздуховоды, скорость воздуха в них снижается примерно в 1,5-3 раза, что обеспечивается квадратной или прямоугольной формой их корпуса с соответствующей площадью поперечного сечения.

Наиболее важным геометрическим параметром канального вентилятора, который определяет возможность размещения системы вентиляции за потолком, является минимальный размер поперечного габарита вентилятора. Для сравнительной оценки различных видов канальных вентиляторов или при сравнениях внутри типоразмерного ряда вентиляторов целесообразно давление вентилятора на характерной скорости потока приводить к единице величины минимального размера поперечного габарита. Такое давление будем называть приведенным давлением p.

В табл. 3 даны значения приведенного давления прямоугольных вентиляторов с плашмя лежащим колесом и двигателем с внешним ротором: KT (колесо с вперед загнутыми лопатками), RS (свободно вращающееся колесо) фирмы «Systemair»; и прямоугольного вентилятора ВРПП фирмы «КлиматВентМаш» с прямоточным радиальным колесом и стандартным двигателем. При составлении таблицы использовались данные фирменных каталогов [5].

Из табл. 3 следует, что энерговооруженность вентиляторов KT значительно выше, чем у RS. Это приводит к необходимости применения больших типоразмеров вентиляторов RS при замене вентиляторов KT.

Значения p малых и средних типоразмеров вентиляторов КТ и RS часто не удовлетворяют практическим потребностям по давлению при малых и средних расходах, что вынуждает неоправданно применять более крупные типоразмеры.

С этой точки зрения вентиляторы ВРПП выглядят значительно предпочтительней. У них приведенное давление по типоразмерам распределяется более равномерно и, в среднем, в 1,5 раза выше, чем у вентиляторов KT.

Для детального сравнения приведены характеристики более широкого круга моделей, в который включены прямоточные радиальные вентиляторы с приводом от двигателя с внешним ротором: MUB — фирмы «Systemair» и DK и EK — фирмы «Wolter» [5]; и радиальные вентиляторы фирмы «Rosenberg» с плашмя лежащим в спиральной обечайке колесом с назад загнутыми лопатками KHAD и свободно вращающимся колесом KHAD-W (табл. 4 и 5).

На рис. 13 и 14 показаны аэродинамические характеристики указанных вентиляторов.

Из таблиц и рисунков следует, что прямоугольные вентиляторы с приводом от стандартного двигателя при схожих аэродинамических характеристиках не уступают прямоугольным вентиляторам других видов в энергопотреблении, компактности и акустическом отношении, т. е. способны полноценно заменять их.

Рисунок 13. Аэродинамические характеристики прямоугольных вентиляторов из табл. 4

Рисунок 14. Аэродинамические характеристики прямоугольных вентиляторов из табл. 5

Применение стандартных двигателей в канальных вентиляторах дает дополнительные преимущества. У средних и крупных типоразмеров значительно снижается стоимость привода. Появляются возможности укрупнения типоразмеров, эксплуатации вентиляторов с частотой вращения выше номинальной при использовании частотных преобразователей, получения большого набора характеристик в унифицированном корпусе, что снижает потребность в подгонке аэродинамической характеристики регулятором частоты вращения двигателя. Набор характеристик обеспечивается не только разной скоростью вращения рабочего колеса, но и изменением диаметра и ширины рабочего колеса. Резко возрастает ремонтопригодность вентиляторов.

Прямоточная схема имеет явное преимущество по сравнению с плашмя лежащим колесом по соотношению площади выходного отверстия вентилятора и присоединительного патрубка. Нет необходимости применять проставку на выходе для выравнивания потока перед шумоглушителем, что очень важно при использовании вентиляторов в звукоизолированном корпусе (рис. 15).

Рисунок 15. Устройство выхода воздуха у прямоугольных вентиляторов: а — прямоточного (вид на патрубок), б — с плашмя лежащим колесом (вид на патрубок), в — с плашмя лежащим колесом (вид сбоку)

Для рассмотрения вопроса о вентиляторах для круглых каналов в табл. 6 представлены приведенные давления круглых вентиляторов R фирмы «Rosenberg» с радиальным колесом, KD фирмы «Systemair» с диагональным колесом и ВРПП фирмы «КлиматВентМаш», которые получены в результате обработки данных фирменных каталогов [5].

Из табл. 6 следует, что вентиляторы с приводом от стандартного двигателя по приведенному давлению превосходят остальные вентиляторы в несколько раз, то есть могут работать в сетях с большим аэродинамическим сопротивлением (при больших скоростях или меньших сечениях воздуховодов). Повышение удельного давления вентиляторов ВРПП с адаптером объясняется тем, что при использовании адаптера снижается расход, соответствующий характерной скорости в круглом патрубке адаптера.

Круглые вентиляторы KD по энерговооруженности значительно превосходят вентиляторы R. В этом нет ничего удивительного. На рис. 1 показано, что двигатель с внешним ротором находится в диагональном колесе вне потока, а для того, чтобы двигатель разместить в радиальном колесе, последнее приходится увеличивать в диаметре и сужать. В результате габариты и шум вентилятора с радиальным колесом растут, аэродинамическая характеристика сдвигается влево и для работы при скорости воздуха 5,5 м/с развиваемого давления недостаточно. К тому же оно значительно теряется в аэродинамически несовершенном корпусе с упрощенным спрямляющим аппаратом (табл. 2).

Рассмотрим, к чему это приводит на практике, сравнив вентиляторы со схожими характеристиками. В табл. 7 и 8 приведены характеристики вентиляторов «Systemair», «Rosenberg» и «КлиматВентМаш» [5].

На рис. 16 и 17 показаны аэродинамические характеристики указанных в таблицах вентиляторов для круглых каналов.

Из представленных данных следует, что вентиляторы с приводом от стандартного двигателя работают тише, имеют меньшую высоту поперечного габарита и их корпус легче сделать звукоизолированным. Это значит, что вентиляторы для круглых каналов с приводом рабочего колеса от стандартного двигателя являются полноценной заменой своих аналогов с приводом от двигателя с внешним ротором.

Рисунок 16. Аэродинамические характеристики вентиляторов из табл. 7

Рисунок 17. Аэродинамические характеристики вентиляторов из табл. 8

Регулирование скорости вращения вентилятора

Регулирование скорости вращения вентилятора необходимо в системах с изменяющимся воздухообменом. Потребность в изменении расхода воздуха в системе вентиляции возникает из-за изменения тепловыделений, содержания вредных веществ, влажности и других причин. Если важно сохранение постоянного расхода в системе с воздушным фильтром, то компенсацию загрязнения фильтра обеспечивают повышением скорости вращения вентилятора.

Применяются 4 метода регулирования скорости вращения вентилятора:

• переключением обмоток многоскоростного 3-фазного асинхронного двигателя;
• изменением напряжения;
• изменением частоты;
• применением ЕС-технологий.

Два последних метода позволяют регулировать частоту вращения в широком плюсовом и минусовом диапазоне от номинального значения.

Использование многоскоростных двигателей не всегда возможно из-за большого шага ступеней регулирования. Их КПД на номинальной скорости примерно на 5 % ниже, чем у односкоростного двигателя, а на пониженных скоростях соответствует значениям КПД при регулировании частотным преобразователем.

Регулирование скорости вращения вентилятора изменением напряжения сети позволяет использовать наиболее дешевые аппаратные средства плавного или многоступенчатого регулирования. С этой целью в асинхронные двигатели с внешним ротором изначально было заложено повышенное омическое сопротивление якоря ротора. Такой двигатель характеризуется «пологой» характеристикой изменения момента от скорости вращения. Цена полученной возможности — повышенные скольжение и тепловые потери.

По данным [6] снижение КПД в асинхронном двигателе при этом достигает 7,5 % по сравнению с обычными двигателями с «крутоизогнутой» характеристикой момент — скорость вращения.

Наиболее дешевый из регуляторов — тиристорный — имеет ограниченный рекомендуемый диапазон регулирования — до 40 % от номинального напряжения [7].

При использовании более дорогих и не вызывающих проблем с шумом двигателя трансформаторных регуляторов рекомендуемый диапазон регулирования напряжения для 1-фазных двигателей — до 45 %, а 3-фазных двигателей — до 55 % от номинального напряжения.

Работа вентилятора на более низком напряжении в течение долгого времени вызывает такой нагрев подшипников, что значительно снижается срок их службы [7].

Низкая энергетическая эффективность асинхронных двигателей, приспособленных для регулирования напряжением, и большие тепловые потери в них при регулировании скорости вращения стали причиной появления некоторых моделей обращенных асинхронных двигателей с обычной «крутоизогнутой» характеристикой [6] и обращенных вентильных двигателей с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов. По-другому их еще называют ЕС-моторами [8].

ЕС-мотор представляет собой электродвигатель постоянного тока, который питается от однофазной сети переменного тока через электронный ЕС-контроллер. Вентильные двигатели имеют очень высокий КПД. Например, в сравнении с 6-полюсным асинхронным двигателем с «крутоизогнутой» характеристикой мощностью 1,5 кВт вентильные двигатели имеют КПД выше на 7 или 11 %, в зависимости от используемых материалов постоянных магнитов [6].

В связи с тем, что вентильные двигатели не могут использоваться без преобразователя, область их применения ограничена.

Рассмотрим, что происходит с расходом электроэнергии при использовании разных методов регулирования скорости вращения.

В табл. 9 приведены результаты обработки данных, которые получены при регулировании осевого вентилятора диаметром 800 мм с двигателем мощностью 1,5 кВт и номинальной частотой вращения около 1 500 об/мин [6].

Как видно из таблицы, эффективность регулирования напряжением в 1,63—2,86 раза меньше, чем эффективность регулирования частотой, и в 1,95—3,43 раза меньше, чем при использовании ЕС-технологии.

Экономическая оценка способов регулирования скорости вращения вентилятора показала следующее. В рассмотренных четырех сценариях: 30 и 60 % глубина регулирования при 4 000 и 8 000 часов работы в год и стоимости 1 кВт•ч — 0,1 евро, даже в худшем из сценариев частотный преобразователь окупается через 2 года. ЕС-технология в лучшем из сценариев окупается только через 8 лет [6].

Можно прокомментировать, что в странах с более дешевой электроэнергией, в частности, в России, Украине, ЕС-технология пока не актуальна.

Выводы

1. Асинхронные двигатели с внешним ротором, приспособленные для регулирования скорости изменением напряжения сети, имеют сниженный КПД, а применяемый способ регулирования их скорости в среднем в 2,5 раза менее эффективен в уменьшении расхода электроэнергии по сравнению с другими современными способами регулирования скорости электродвигателей. Это вынуждает производителей таких двигателей дополнять их другими типами обращенных двигателей и рекомендовать, с целью энергосбережения, альтернативные способы регулирования скорости двигателей.
2. По соотношению «цена — энергетическая эффективность» регулируемый электропривод вентилятора в виде частотного преобразователя и асинхронного двигателя с обычной «крутоизогнутой» характеристикой момент — скорость вращения является самым предпочтительным решением.
3. В большинстве случаев применения профессиональной канальной вентиляции целесообразен переход на использование прямоточных вентиляторов с обычными асинхронными двигателями ввиду технико-экономических преимуществ как самих вентиляторов, так и частотного регулирования скорости их вращения.

Литература

1. Catalogue 823/94/Edition 1994. EMOD Motoren GmbH; External-Rotor Motor. Catalogue DL 1.1, Ziehl-Abegg.
2. Брусиловский И. В. Прямоточные центробежные вентиляторы // Промышленная аэродинамика. М.: Оборонгиз, 1957.
3. Ostberg H. Duct fan housing assembly / Патент США № 5474420, F04d 29/64. 1995.
4. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Руководство по применению отопительно-вентиляционного оборудования НПП «Инновент». М.: 2003.
5. Фирменные каталоги ebm Werke GmbH + Co KG, Remak s.r.o., Systemair Gmbh, Rosenberg Ventilatoren Gmbh, Wolter Gmbh + Co KG, ООО «КлиматВентМаш».
6. Fan speed control. Ziehl-Abegg Report. 2004.
7. Вентиляционное оборудование 2003 // Systemair. 2003.
8. Вентиляционное оборудование Rosenberg // АВОК. 2004. № 1.

Статья из журнала AВОК №5/2004