4.6.4. Оценка энергетической эффективности регулирования насосов и вентиляторов

При технико-экономическом сопоставлении вариантов систем отопления и вентиляции (кондиционирования) энергозатраты следует определять с учетом производимого регулирования. Оценка вариантов по установочной мощности N_p может привести к ошибочным выводам.

Рассмотрим следующий пример. Сравниваются два варианта установки вентиляторов для работы в теплый период года в дополнение к круглогодичной системе вентиляции.

Вариант 1: Один вентилятор N_p=10 кВт.

Вариант 2: Два вентилятора N_р=6,5 кВт.

Во втором варианте суммарная установочная мощность будет 13 кВт.

Годовое число часов работы τ =792 час.

Сравнение по установочной мощности.

Вариант 1. Энергозатраты Е= N_p· τ=10·792=7920 кВт·час.

Вариант 2. Е=2·6,5·792=10296 кВт·час.

При таком расчете первый вариант оказывается выгоднее, что справедливо лишь при отсутствии регулирования.

Пусть в обоих случаях вентиляторы имеют трехступенчатые регуляторы. При работе по второму варианту допускается выключение одного из вентиляторов при уменьшении избытков теплоты. Таким образом, в первом варианте будет трехступенчатое регулирование, а во втором ‒ шестиступенчатое. Энергозатраты определяются по зависимости:

E =∑N_i∙τ_i (4.24)

Здесь: τ_i ‒ число часов работы при расходе мощности N_i.

Для первого варианта Е=4831 кВт·час, для второго Е=4333 кВт·час. Таким образом, второй вариант энергетически выгоднее, однако и он не является идеальным. Идеальным будет такое регулирование, при котором подача воды(воздуха) будет минимальной из условия соблюдения санитарных, технологических,

противопожарных стандартов в течение всего года. Оптимальные энергозатраты равны:

E_опт =∑N_j · τ_j (4.25)

Здесь: τ_j ‒ число часов работы при расходе мощности N_j.

В качестве показателя степени рациональности метода регулирования можно использовать критерий эффективности регулирования как отношение энергозатрат по данному варианту регулирования к оптимальным затратам.

(4.26)

Фактически этот критерий является коэффициентом полезного действия регулирования К_Е ≤ 1.

Пусть в данном случае Е_опт=3356 кВт·час.

Тогда для первого варианта

Для второго варианта

Следовательно, и второй вариант далек от идеального. Поэтому целесообразно рассмотреть и другие варианты. Например, установку одного вентилятора с плавным регулятором.

Глава 5. Конструкции вентиляторов

5.1. Основные конструкции и их классификация

В настоящее время серийно промышленностью выпускается два типа конструкций вентиляторов: радиальные и осевые. Их, в свою очередь, целесообразно классифицировать по следующим показателям: давлению, назначению, способу соединения с приводом, ориентации оси вращения в пространстве.

По давлению различают вентиляторы низкого (до 1000 Па), среднего (1000 – 3000 Па) и высокого (более 3000 Па) давления.

По назначению вентиляторы подразделяются на общего назначения и специальные.

Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения воздуха и других невзрывоопасных газопаровоздушных сред, не вызывающих ускоренной коррозии углеродистой стали, с содержанием пыли и других твердых примесей не более 0,1 г/м³ для радиальных вентиляторов и не более 0,01 г/м³ для осевых вентиляторов, с температурой перемещаемой среды не более 80ºС, не содержащей липких и волокнистых материалов. Ускоренной называется коррозия со скоростью более 0,1 мм в год.

Вентиляторы общего назначения выполняются из углеродистой или из оцинкованной стали. Эти вентиляторы применяются в системах вентиляции, воздушного отопления, кондиционирования воздуха производственных, общественных и жилых зданий и для других санитарно-технических и хозяйственных целей.

Вентиляторы специального назначения предназначены для перемещения сред со специфическими свойствами или для эксплуатации в помещениях (устройствах) особого типа.

Рассмотрим характерные виды вентиляторов специального назначения.

Теплостойкие вентиляторы предназначены для перемещения тех же сред, что вентиляторы общего назначения, но с более высокой температурой (до 200ºС).

Коррозионностойкие вентиляторы служат для перемещения химически агрессивных, но не взрывоопасных газопаровоздушных смесей. Такие вентиляторы выполняются из материалов, стойким к этим смесям (нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титановых сплавов, пластмасс), либо их проточная часть покрывается специальными антикоррозионными покрытиями. Следует отметить, что ни один из применяемых в вентиляторостроении материалов не обладает абсолютной коррозионной стойкостью. И область применения того или иного материала ограничивается условиями отсутствия ускоренной коррозии (не более 0,1 мм в год). Наименее коррозионностойкими являются вентиляторы из стали 12Х18Н10Т. Коррозионная стойкость пластмассовых вентиляторов выше, но прочностные характеристики ниже. Такие вентиляторы следует обязательно устанавливать в отапливаемом помещении, вследствие отсутствия у них морозостойкости.

Наибольшими антикоррозионными свойствами обладают вентиляторы из сплавов титана, но область их применения существенно ограничивается высокой стоимостью. Кроме того, следует иметь ввиду, что эти вентиляторы нельзя применять для перемещения сред, содержащих пары плавиковой кислоты, фтора, брома, а также сухие хлор и йод.

Взрывозащищенные вентиляторы предназначены для перемещения газопаровоздушных взрывоопасных смесей. Они выполняются из разнородных материалов во избежание искрообразования (углеродистая или нержавеющая сталь-латунь) или из сплавов алюминия. В настоящее время выпускаются следующие варианты таких вентиляторов: взрывозащищенные, взрывозащищенные-коррозионностойкие (температура перемещаемой среды до 80ºС), взрывозащищенные-теплостойкие, взрывозащищенные-коррозионностойкие теплостойкие (температура перемещаемой среды до 200ºС). Группа взрывоопасности смеси и класс взрывоопасной зоны помещений, для которых предназначена конкретная конструкция взрывозащищенного вентилятора, указывается в паспорте завода-изготовителя.

Применение взрывозащищенных вентиляторов ограничивается следующими условиями: отсутствие в перемещаемой среде взрывчатых веществ, липких волокнистых материалов; скорость коррозии не более 0,1 мм в год; содержание пыли и других твердых веществ не более 0,1 г/м³ для радиальных и 0,01 г/м³ для осевых вентиляторов.

Вентиляторы не применяются для перемещения газопылевоздушных смесей от технологических установок, в которых взрывоопасные вещества нагреваются выше температуры их самовоспламенения или находятся под избыточным давлением. В этих случаях для перемещения сред используют эжекторы.

Пылевые вентиляторы предназначены для перемещения сред с повышенным содержанием механических примесей. Выпускаются в вариантах: пылевые, пылевые взрывозащищенные, пылевые взрывозащищенные коррозионностойкие. Ограничения по температуре, взрыво- и коррозионной опасности перемещаемой среды те же, что и у описанных выше конструкций вентиляторов.

Дымососы применяют для отсасывания дымовых газов с температурой до 200 С из топок пылеугольных тепловых генераторов. Так как газы содержат твердые частицы золы, вызывающие износ деталей дымососа, то лопасти выполняют утолщенными, а внутреннюю поверхность корпуса покрывают броневыми листами. Корпус подшипников ходовой части изготовляют в виде литых или сварных коробок, внутри которых находится масло, охлаждаемое проточной водой. Для регулирования работы дымососы снабжаются осевыми направляющими аппаратами.

Дутьевые вентиляторы применяются для подачи воздуха на горение в топочные камеры тепловых генераторов электростанций и котельных. Вентиляторы горячего дутья предназначены для подачи воздуха с температурой до 400С. Для регулирования работы они снабжаются осевыми направляющими аппаратами.

Вентиляторы для дымоудаления предназначены для удаления образующихся при пожаре дымовых газов с температурой до 400С и до 600С в течении 120 минут.

Мельничные вентиляторы предназначены для пневматического транспортирования неагрессивных пылей, в частности в системах пылеприготовления тепловых генераторов, работающих на пылевоздушном топливе, для его подачи в пылеугольные и муфельные горелки.

Встроенные вентиляторы применяются для воздушного охлаждения различных машин, агрегатов, оборудования и являются составной частью их конструкции. Привод таких вентиляторов обычно осуществляется от малогабаритных высокоскоростных электродвигателей; производительность 1-300 л/с; полное давление 200-7000 Па.

Судовые вентиляторы предназначены для применения на речном и морском флотах. Такие вентиляторы должны удовлетворять ряду специальных требований: быть вибростойкими, создавать малый уровень шума; иметь небольшие габариты и массу, устойчиво работать в условиях крена и дифферента. Выпускаются в следующих вариантах: для перемещения воздуха, не содержащего взрывоопасных и агрессивных сред; для перемещения воздуха, загрязненного парами серной кислоты; парами аммиака; парами бензина (не более 3% по объему); парами водорода (не более 3% по объему).

Шахтные и тоннельные вентиляторы предназначены для проветривания шахт, рудников, тоннелей метрополитенов. Такие вентиляторы имеют устройства для регулирования производительности: осевой направляющий аппарат, регулируемый привод, поворотные лопасти рабочего колеса и др.

Соединение с электродвигателями. В настоящее время используются следующие способы соединения: на одном валу, на одной оси, на клиноременной передаче.

В первом случае рабочее колесо непосредственно насаживается на вал электродвигателя (так называемый электровентилятор). Достоинства такого способа: простота, компактность, надежность, меньший уровень шума, экономичность ввиду отсутствия потерь энергии при передаче вращения. Недостатком является дополнительная нагрузка на вал двигателя.

Соединения на одной оси производятся с помощью эластичной муфты и применяются для вентиляторов с большой массой колеса.

При соединениях на одной оси и на одном валу частоты вращения колеса вентилятора n_в и электродвигателя n_э совпадают. Если необходимо получить некоторое постоянное передаточное число n_в/n_э1, то соединение производится с помощью клиноременной передачи. В этом случае на валы двигателя и вентилятора насаживаются колеса разного диаметра D_шк (шкивы) со специальными канавками. Передача вращения производится с помощью ремней клиновидного профиля. Такой способ соединения является наиболее сложным, а установка в итоге получается громоздкой. Кроме того, как известно из теории надежности, вероятность безотказной работы сложной установки, состоящей из ряда последовательно включенных элементов, тем меньше, чем больше элементов входит в эту систему. Поэтому из всех трех рассмотренных способов соединения вариант с клиноременной передачей является наименее надежным.

Что же касается ориентации оси вращения в пространстве, то здесь вентиляторы бывают горизонтальными и вертикальными. Однако сейчас имеются и конструкции, допускающие эксплуатацию в наклонном состоянии.