Последовательное и параллельное подключение вентиляторов
Когда отсутствует возможность использовать один вентилятор для обеспечения требуемых затрат и давления воздушных масс в вентиляционной сети, устанавливают несколько, работающих совместно. Нередко это единственный выход, к примеру, когда вышеообозначенные параметры подвергаются серьезным колебаниям. Последовательное и параллельное включение вентилятора приводит к повышению расходов, к тому же такая схема работы менее надежна и устойчива в эксплуатации. Поэтому задействуют ее только в том случае, когда один вентилятор с поставленной задачей не справляется.
В качестве примера, последовательный принцип действия – это электровентиляторы-доводчики, которые монтируются в вентсистеме с целью подачи воздуха в тупиковые шахты. Параллельный – сети с разветвлениями, предполагающие разные входы/выходы вентиляторов или агрегатов, обеспечивающих приток воздуха. Нередко случается, что вентиляционное оборудование работает неудовлетворительно. Причиной тому выступает несогласованная работа вентиляторов, попросту, они были неправильно подобраны. В статье разберем основные моменты, связанные с совместной работой устройств, а также приведем примеры удачного и неудачного их подбора. Во избежание ошибок важно понимать, какие при таком подключении происходят процессы.
Последовательная работа вентиляторов
Поднять производительность вентиляционной системы с повышенным значением сопротивления можно двумя способами:
- монтировать более крупный вентилятор;
- поставить вспомогательный кулер, подключив его последовательно.
Первый способ не всегда актуален ввиду габаритов оборудования. Последовательное же включение осуществляется, как правило, с использованием аксиального вентилятора, характерного сравнительно малым давлением.
Такая система представляет собой многоступенчатый электровентилятор, имеющий одинаковые рабочие колеса. Между последними ставят спрямляющие аппараты (турбины), где их задача – раскрутить поток до осевого направления перед следующим колесом. Куда реже при последовательном подключении монтируют центробежный вентилятор со спиралевидным «телом», ведь с ним в разы усложняется компоновка. Исключение – канальные радиальные модели, а именно те, что предполагают прямоточную схему с реле. С их компоновкой сложностей не возникает, поэтому они годятся для последовательного подключения.
Есть компании-изготовители (та же HELIOS), оборудование которых предназначено для повышения давления. Такие устройства состоят из пары канальных вытяжных вентиляторов, смонтированных один за другим. Их эффективность при этом одинакова. Для получения общего параметра системы, предполагающей пару кулеров, складывается их давление (ординаты) при фиксированной производительности. Чтобы проще было анализировать работу устройств в паре, далее не станем брать во внимание изменение аэродинамики в системе в результате монтажа вспомогательного вентилятора. На рисунке 1 отображено развиваемое давление двух идентичных электровентиляторов при последовательном подключении.
Производительность вентиляторов обозначается как Qp. Когда они запущены – это точка A. Вентсистема, состоящая из пары кулеров – отметка B, где давление равняется общему давлению обоих устройств. Посмотрим, как совместно работают пара вентиляторов, имеющих различные аэродинамические значения (изображение 2, а). Кулер 2 – «главный», устройство 1 – «вспомогательное», направленное на повышение эффективности первого. Парная работа оборудования отмечена как точка C. «Главное» устройство в работе – B, «вспомогательное» – A. В то же время обоим вентиляторам присуща производительность – Qp.
Если же «главный» электровентилятор функционирует в одиночку, его рабочим режимом выступает точка Д, а значение производительности – Qд. За счет монтажа «вспомогательного» устройства обеспечивается увеличение эффективности на величину Qр – Qд. Если значение производительности «главного» оборудования при задействовании в этой системе Qд уступает предельной эффективности «вспомогательного» вентилятора Q1max, то монтаж последнего способствует повышению общей продуктивности.
Разберем ситуацию неправильного подбора «вспомогательного» оборудования, где его предельная производительность Q1max уступает значению эффективности «главного» кулера Qд, если тот работает в одиночку (рисунок 2, б). При таком раскладе объединенное функционирование устройств помечается точкой C. Рабочим режимом «главного» оборудования выступает точка B, а «вспомогательного» – A. Опять же, обозначение Qр – значение продуктивности вентиляторов по отдельности.
Если задействовано только «главное» устройство, оно, будучи в рабочем состоянии, помечается точкой Д, а производительность отмечалась бы как Qд. «Вспомогательный» тогда функционирует во флюгерном режиме (работает в потоке с большим расходом, чем может дать) и выступает в качестве лобового сопротивления для «главного». В результате такой работы значение производительности «главного» при монтаже «вспомогательного» понизилась бы на величину Qд – Qр. Но важно не забывать, что помимо снижения эффективности «главного» устройства, «вспомогательному» для работы требуется мощность, что влечет за собой расходы. Это наиболее частая ошибка при выборе «вспомогательного» устройства, которое требуется для повышения производительности в вентсистеме. Перейдем к рассмотрению вопроса, как при соединении один за другим показывают себя вентиляторы с разной продуктивностью («главное» оборудование и фанкойлы).
Если сеть характерна удлиненными ветками или тупиковой шахтой с малой эффективностью, то в некоторых ситуациях главный вентилятор следует выбирать на заданную общую производительность, но под меньшее давление (сопротивляемость ответвлений в учет не берется), а в ветки один за другим монтировать фанкойлы. По сравнению с главным вентилятором, последние характерны меньшей продуктивностью.
Перед вентиляционными доводчиками должен быть определенный избыток давления в диапазоне от 50 до 100 Па. Это требуется во избежание обратных токов в предыдущих приборах воздуховыпускного типа. С примером вентсистемы с кулерами-фанкойлами можно ознакомиться на рисунке 3. Основное оборудование 1 идет с производительностью Q1 и давлением pV1, равняющимся сопротивляемости первичного участка ∑∆р1, куда еще добавляется избыточное, то есть полное давление, до первого фанкойла p*2. Один вентиляционный доводчик идет с эффективностью Q2 = Q1 – Qв1 (под Qв1 понимается значение расхода сквозь решетки выпуска воздуха). Избыточное давление этого фанкойла равняется: pV2 = ∑∆р2 + (p* 3 — p* 2). То есть оно идентично расходам в системе 2 плюс разница избыточных давлений до и после оборудования-доводчика (при потерях учитывается скоростное воздействие воздушных масс при удалении через решетку).
Если оборудование-доводчик стоит одно в вентсистеме, то p*3 = 0, а его давление – pV2 = ∑∆р2 – p*2. Когда подпор перед доводчиками учитывается как одинаковый, то их давление равняется затратам в сети 2, что обозначается как pV2 = ∑∆р2. С параметрами первого оборудования-доводчика можно ознакомиться на рисунке 3. Когда система предполагает ряд вентиляторов-доводчиков, имеющих идентичное полное давление, то активный режим первого будет точкой B. Если такое оборудование смонтировано в единственном экземпляре, рабочий режим тогда – точка A. Она же выступает в качестве точки пересечения параметра вентилятора и самой сети, где учитывается полное давление перед оборудованием.
Бывает, если не учесть избыточное давление, возможно завышение производительности устройства-доводчика, но ее получается компенсировать путем регулировки вентсистемы. Рассматривая последовательное включение вентиляторов, надо взять во внимание следующий немаловажный момент: независимо от типа оборудования, не стоит устанавливать второй кулер сразу за первым, так как на выходе устройства воздушный поток всегда неоднороден, независимо от рабочего режима.
К примеру, выходной поток из канальной модели с округлой формой или осевой модели, не оборудованной спрямляющим устройством, будет иметь определенную остаточную закрутку; выходное течение канального оборудования, имеющего корпус в виде прямоугольника, всегда будет неравномерно в пространстве, так как поток занимает не все сечение на выходе. Чтобы один вентилятор не влиял на работу последующего, перед ним делается прямой участок короба, имеющего длину в несколько экивалентных диаметров. Это позволит сгладить неоднородность воздушного потока, обуславливаемую пространством и временными интервалами.
Параллельная работа вентиляторов
Функционирование по этой схеме (бок о бок) реализуется в таких ситуациях:
- надо поднять производительность в вентсистеме;
- требуется разный уровень продуктивности для функционирования в конкретный сезон;
- для более гибкой настройки эффективности в ветвях вентсистемы и т. д.
Для получения общего параметра продуктивности системы, собранной из пары вентиляторов, складываются присущие им значения при заданном давлении. Анализируя подобное подключение, опять же, повышение сопротивляемости вентсети при монтаже «вспомогательного» оборудования во внимание не берется. На рисунке 4 можно ознакомиться с аэродинамикой пары идентичных параллельно функционирующих вентиляторов. Режим эксплуатации для них помечается как точка A, вентсистема же, предполагающая пару устройств – B.
Значение производительности для каждого – Q1 и Q2, общий же уровень эффективности системы – Q1 + 2. На рисунке 5 показана объединенная работа двух разных устройств, одно из которых «главное», второе – «вспомогательное», используемое, к примеру, с целью повышения производительности первого. Чтобы построить общую аэродинамическую характеристику, надо знать значение «вспомогательного» в 4 квадранте (имеется в виду режим обратного течения через устройство).
Если в теории, то кривой объединенной работы, для получения которой надо сложить производительность обоих устройств, присущ первичный отрезок E – F. На нем предельное давление pV1max «вспомогательного» оборудования меньше, если сравнивать с «главным» (точка F на параметре объединенной работы равна давлению pV1max при условии режима заглушки «вспомогательного»). Исходя из сопротивления сети выделяют два режима функционирования вентиляторов бок о бок. Разберем ситуацию, при которой значение сопротивляемости вентсети не выходит за пределы предельного давления «вспомогательного» устройства pV1max (рисунок 5, а). Режим объединенной работы оборудования – точка C, режим «главного» – B, «вспомогательного» – A.
В случае, если работает только «главный» вентилятор, его активное состояние помечалось бы точкой Д, а эффективность – Qд. Благодаря монтажу «вспомогательного» устройства значение продуктивности увеличилось бы на величину Q1 + 2 – Qд. В таком режиме оба оборудования функционируют относительно устойчиво. Разберем ситуацию, когда можно заявлять, что «вспомогательный» вентилятор подобран неправильно, то есть когда сопротивляемость вентсети больше его предельного давления pV1max (рисунок 5, б).
В теории, совмещенное действие обеих устройств – точка C, а их продуктивность – Q1 + 2. Рабочим режимом «главного» оборудования является точка B, «вспомогательного» – A. Стоит отметить, что через «вспомогательный» кулер при наличии противодавления действует отрицательный расход – Q1, что понижает общее значение продуктивности системы из пары устройств.
Производительность вентсистемы Q1 + 2 в плане продуктивности уступает вентилятору Qд, функционирующему в одиночку. По факту, что «главному», что «вспомогательному» свойственны нестационарный вентиляционный процесс. Через «вспомогательный» проходят периодические прорывы воздушных масс, к тому же порой меняется сопротивляемость вентсети, и по итогу «главный» вентилятор действует нестабильно (в особенности когда функционирует в неустойчивых режимах).
В то же время надо понимать, что «вспомогательное» устройство потребляет мощность, что влечет за собой расходы. Подобные рабочие режимы недопустимы, так как по причине большей нагрузки и ее нестабильности возможно сгорание электрического двигателя «вспомогательного» вентилятора. Если иначе вопрос решить невозможно, обязательно следует перекрыть воздушным клапаном вход или выход «вспомогательного» устройства.
В случае, если вентиляторы соединены бок о бок, важно, как выполнялось объединение их входов и выходов, и как задействуется динамическое давление в каналах до и после оборудования. Это может влиять на степень неустойчивости заданного режима. К примеру, когда до вентиляторов стоит тройник, имеющий прямоугольные боковые ветки, то в нем, помимо снижения скорости напора, с большой интенсивностью образуются вихри. Последние отражаются на функционировании оборудования и способны снизить порог стабильной работы при объединении способом бок о бок. Более предпочтительный вариант – использование тройника с более «мягкими» поворотами. Аналогично с соединяющим, монтируемым на выходе агрегатов.
Выше были рассмотрены режимы функционирования оборудования с монотонно падающими кривыми, где давление зависит от эффективности. Это свойственно тем же радиальным моделям, лопатки которых загнуты в обратном направлении, или слабонагруженным осевым.
Для этих устройств участки нестабильной работы при малой продуктивности выражены слабо, а перепады аэродинамических значений не так интенсивны. Для центробежных кулеров, лопатки которых загнуты вперед, свойственно снижение значения в подобной зоне. При определенных схемах аксиальных вентиляторов, предполагающих повышенные нагрузки, наблюдается разрыв характеристик, в то же время серьезно выражается слабая устойчивость течения. Это нежелательные рабочие режимы, и их рекомендуется избегать. При соединении такого оборудования бок о бок возможны самые разнообразные неблагоприятные последствия, касающиеся скачков давления и нестабильности рабочего положения.
Приведем пример далеко не лучшей компоновки параллельного подключения электровентиляторов, имеющих объединенный вход – функционирование ряда приточных устройств разного уровня эффективности с единой «зажатой» шахтой. Если рассматривать объединенный выход, то неудачным решением выступает работа оконного вентилятора, который отвечает за организованный приток воздушных масс в помещение, при этом вытяжка плохо сбалансирована.
Радиальному оборудованию двухстороннего всасывания также присущи определенные рабочие особенности. Разберем пример пары идентичных вентиляторов, входы и выходы которых объединены (рисунок 6). В теории уровень продуктивности – это суммарная производительность обоих устройств. По факту у кулеров с двухсторонним всасыванием обычно применяется шкивоременная передача, которая подводится к валу рабочего колеса со стороны одного или другого всасывающего отверстия.
Получается, что оно загромождается частью вала и, помимо того, при движениях шкива подкручивается поток на входе в вентилятор по вращению. То есть одна сторона функционирует хуже другой, той, чей вход остается свободным. Отсюда вывод: в некоторых ситуациях оборудование с двухсторонним входом следует рассматривать в качестве параллельного соединения пары вентиляторов с разными параметрами, с учетом всех вышеописанных особенностей.
Если устройство двухстороннего всасывания смонтировано в приточной установке, то наблюдается еще один недостаток: чтобы уменьшить ее размеры расстояние между отверстиями для подсоса и стенками берется минимальным, из-за чего ухудшаются свойства стороны, которая закрыта ременной передачей.
Заключение
Для вентиляторов, работающих в паре, можно построить суммарные характеристики мощности исходя из их общей производительности. Но на практике надо знать мощности, которые затрачивает каждый из них по отдельности. Для их определения понадобится полная характеристика каждого, исходя из его индивидуальной производительности. Данные, приведенные в материале, могут быть полезны для разных областей. Когда есть сведения о рабочей точке (сколько воздуха при таком-то давлении проходит), облегчается подбор нужного вентилятора и схемы соединения.
