Ventilatorer til kanalventilationssystemer

Dette modul ser på centrifugal- og aksialventilatorer, der anvendes til kanalventilationssystemer, og overvejer udvalgte aspekter, herunder deres egenskaber og driftsmæssige egenskaber.

De to almindelige ventilatortyper, der anvendes i bygningsinstallationer til kanalsystemer, kaldes generisk centrifugal- og aksialventilatorer – navnet stammer fra den definerende retning af luftstrømmen gennem ventilatoren. Disse to typer er selv opdelt i en række undertyper, der er udviklet til at give specifikke volumenstrøms-/trykegenskaber samt andre driftsmæssige egenskaber (herunder størrelse, støj, vibrationer, rengørbarhed, vedligeholdelse og robusthed).

Tabel 1: Amerikansk og europæisk offentliggjorte data om maksimal ventilatoreffektivitet for ventilatorer >600 mm i diameter

Nogle af de hyppigst forekommende ventilatortyper, der anvendes i HVAC, er anført i tabel 1 sammen med indikative peak effectiveness, der er indsamlet1 fra data offentliggjort af en række amerikanske og europæiske producenter. Derudover har 'prop'-ventilatoren (som faktisk er en variant af centrifugalventilatoren) oplevet stigende popularitet i de senere år.

Figur 1: Generiske ventilatorkurver. Rigtige ventilatorer kan afvige meget fra disse forenklede kurver.

Karakteristiske ventilatorkurver er vist i figur 1. Disse er overdrevne, idealiserede kurver, og rigtige ventilatorer kan meget vel afvige fra disse; de vil dog sandsynligvis udvise lignende egenskaber. Dette omfatter områder med ustabilitet, der skyldes pendling, hvor ventilatoren kan skifte mellem to mulige strømningshastigheder ved samme tryk eller som følge af, at ventilatoren går i stå (se Standsning af luftstrømningsboks). Producenter bør også identificere foretrukne 'sikre' arbejdsområder i deres litteratur.

Centrifugalventilatorer

Med centrifugalventilatorer kommer luften ind i impelleren langs dens akse, og derefter udledes den radialt fra impelleren med centrifugalbevægelsen. Disse ventilatorer er i stand til at generere både højt tryk og høje volumenstrømningshastigheder. Størstedelen af traditionelle centrifugalventilatorer er indkapslet i et spiralformet hus (som i figur 2), der tjener til at styre den bevægelige luft og effektivt omdanne den kinetiske energi til statisk tryk. For at flytte mere luft kan ventilatoren designes med et 'dobbeltbredde dobbeltindløb'-impeller, der tillader luft at komme ind på begge sider af huset.

Figur 2: Centrifugalventilator i spiralhus med bagudrettet vippehjul

Der findes en række forskellige former for blade, der kan udgøre ventilatorhjulet, hvor hovedtyperne er fremadbøjede og bagudbøjede – bladets form bestemmer dets ydeevne, potentielle effektivitet og formen på den karakteristiske ventilatorkurve. Andre faktorer, der påvirker ventilatorens effektivitet, er bredden af hjulhjulet, frirummet mellem indløbskeglen og det roterende ventilatorhjul samt det område, der bruges til at udlede luften fra ventilatoren (det såkaldte 'blæseområde').

Denne type ventilator er traditionelt blevet drevet af en motor med et rem- og remskivearrangement. Men med forbedringen af elektronisk hastighedsstyring og den øgede tilgængelighed af elektronisk kommuterede ("EC" eller børsteløse) motorer bliver direkte drev oftere anvendt. Dette fjerner ikke kun den ineffektivitet, der er forbundet med et remtræk (som kan være alt fra 2% til mere end 10%, afhængigt af vedligeholdelse2), men vil sandsynligvis også reducere vibrationer, reducere vedligeholdelse (færre lejer og rengøringskrav) og gøre enheden mere kompakt.

Bagudbøjede centrifugalventilatorer

Bagudbøjede (eller 'skrå') ventilatorer er karakteriseret ved vinger, der hælder væk fra rotationsretningen. De kan nå en effektivitet på op mod 90 %, når de bruger vingeformede vinger, som vist i figur 3, eller med glatte vinger formet i tre dimensioner, og lidt mindre, når de bruger glatte, buede vinger, og mindre igen, når de bruger simple, flade, bagudskrånende vinger. Luften forlader spidserne af impelleren med relativt lav hastighed, så friktionstabene i huset er lave, og den luftgenererede støj er også lav. De kan gå i stå i yderpunkterne af driftskurven. Relativt bredere impeller vil give den største effektivitet og kan let anvende de mere solide, vingeformede vinger. Slanke impeller vil vise ringe fordel af at bruge vingeformede vinger, så de har en tendens til at bruge flade pladevinger. Bagudbøjede ventilatorer er især kendt for deres evne til at producere høje tryk kombineret med lav støj og har en ikke-overbelastende effektkarakteristik – det betyder, at når modstanden i et system reduceres, og flowhastigheden øges, vil den effekt, der trækkes af den elektriske motor, reduceres. Konstruktionen af bagudbøjede ventilatorer er sandsynligvis mere robust og tungere end den mindre effektive fremadbøjede ventilator. Den relativt langsomme lufthastighed hen over bladene kan tillade ophobning af forurenende stoffer (såsom støv og fedt).

Figur 3: Illustration af centrifugalventilatorhjul

Fremadbøjede centrifugalventilatorer

Fremadbøjede ventilatorer er kendetegnet ved et stort antal fremadbøjede blade. Da de typisk producerer lavere tryk, er de mindre, lettere og billigere end den tilsvarende motoriserede bagudbøjede ventilator. Som vist i figur 3 og figur 4, vil denne type ventilatorhjul omfatte over 20 blade, der kan være så simple som at være dannet af en enkelt metalplade. Forbedret effektivitet opnås i større størrelser med individuelt formede blade. Luften forlader bladspidserne med en høj tangential hastighed, og denne kinetiske energi skal omdannes til statisk tryk i huset - dette forringer effektiviteten. De bruges typisk til lave til mellemstore luftmængder ved lavt tryk (normalt <1,5 kPa) og har en relativt lav effektivitet på under 70 %. Scrollhuset er særligt vigtigt for at opnå den bedste effektivitet, da luften forlader bladspidserne med høj hastighed og bruges til effektivt at omdanne den kinetiske energi til statisk tryk. De kører ved lave rotationshastigheder, og derfor har mekanisk genererede støjniveauer en tendens til at være mindre end bagudbøjede ventilatorer med højere hastighed. Ventilatoren har en overbelastningseffektkarakteristik, når den arbejder mod lave systemmodstande.

Figur 4: Fremadbøjet centrifugalventilator med integreret motor

Disse ventilatorer er ikke egnede, hvor luften for eksempel er stærkt forurenet med støv eller indeholder medrevne fedtdråber.

Figur 5: Eksempel på direkte drevet kammerventilator med bagudbøjede blade

Radialbladede centrifugalventilatorer

Den radialbladede centrifugalventilator har den fordel, at den kan flytte forurenede luftpartikler ved højt tryk (i størrelsesordenen 10 kPa), men når den kører ved høje hastigheder, er den meget støjende og ineffektiv (<60%) og bør derfor ikke anvendes til generelle HVAC-formål. Den lider også af en overbelastningseffektkarakteristik – når systemmodstanden reduceres (måske ved åbning af volumenkontrolspjæld), vil motoreffekten stige, og afhængigt af motorstørrelsen kan den muligvis 'overbelastes'.

Stikkontaktventilatorer

I stedet for at blive monteret i et spiralhus kan disse specialdesignede centrifugalhjul bruges direkte i luftbehandlingsenhedens hus (eller faktisk i enhver kanal eller plenum), og deres startpris vil sandsynligvis være lavere end centrifugalventilatorer med hus. Disse er kendt som 'plenum', 'prop' eller blot 'ikke-hus' centrifugalventilatorer, og kan give nogle pladsfordele, men på bekostning af tabt driftseffektivitet (hvor den bedste effektivitet svarer til den for indbyggede, fremadbøjede centrifugalventilatorer). Ventilatorerne trækker luft ind gennem indløbskeglen (på samme måde som en indbygget ventilator), men udleder derefter luften radialt omkring hele 360° ydre omkreds af pumpehjulet. De kan give stor fleksibilitet i udløbsforbindelser (fra plenum), hvilket betyder, at der kan være mindre behov for tilstødende bøjninger eller skarpe overgange i kanalsystemet, som i sig selv ville øge systemtrykfaldet (og dermed ekstra ventilatoreffekt). Den samlede systemeffektivitet kan forbedres ved at bruge klokkeformede indgange til kanalerne, der forlader plenum. En af fordelene ved kammerventilatoren er dens forbedrede akustiske ydeevne, hvilket i høj grad skyldes lydabsorptionen i plenum og manglen på direkte udsyn fra impelleren til kanalåbningen. Effektiviteten vil være meget afhængig af ventilatorens placering i plenum og ventilatorens forhold til dens udløb – plenum bruges til at omdanne den kinetiske energi i luften og dermed øge det statiske tryk. Væsentligt forskellige ydeevner og forskellige driftsstabiliteter vil afhænge af impellertypen – blandede flow-impellere (der giver en kombination af radial og aksial strømning) er blevet brugt til at overvinde strømningsproblemer som følge af det stærke radiale luftstrømningsmønster, der skabes ved hjælp af simple centrifugalimpeller3.

For mindre enheder suppleres deres kompakte design ofte ved brug af letstyrbare EC-motorer.

Aksiale ventilatorer

I aksialventilatorer passerer luften gennem ventilatoren i linje med rotationsaksen (som vist i den simple rørformede aksialventilator i figur 6) – tryksætningen produceres af aerodynamisk løft (svarende til en flyvinge). Disse kan være forholdsvis kompakte, billige og lette, især velegnede til at bevæge luft mod relativt lave tryk, så de bruges ofte i udsugningssystemer, hvor trykfaldene er lavere end i forsyningssystemer – forsyningen inkluderer normalt trykfaldet for alle klimaanlægskomponenterne i luftbehandlingsenheden. Når luften forlader en simpel aksialventilator, vil den hvirvle rundt på grund af den rotation, der påføres luften, når den passerer gennem løbehjulet – ventilatorens ydeevne kan forbedres betydeligt ved hjælp af nedstrøms styrevinger til at genvinde hvirvlen, som i den aksialventilator med vinge vist i figur 7. Effektiviteten af en aksialventilator påvirkes af bladets form, afstanden mellem bladets spids og det omgivende hus og hvirvelgenvindingen. Bladets stigning kan ændres for effektivt at variere ventilatorens ydelse. Ved at vende rotationen af aksialventilatorer kan luftstrømmen også vendes – selvom ventilatoren vil være designet til at arbejde i hovedretningen.

Figur 6: En røraksialventilator

Den karakteristiske kurve for aksialventilatorer har et stall-område, der kan gøre dem uegnede til systemer med et meget varierende udvalg af driftsforhold, selvom de har den fordel, at de ikke overbelaster.

Figur 7: En aksialventilator med lamelventilator

Lamelaksialventilatorer kan være lige så effektive som bagudbøjede centrifugalventilatorer og er i stand til at producere høje flow ved rimelige tryk (typisk omkring 2 kPa), selvom de sandsynligvis vil skabe mere støj.

Blandingsventilatoren er en udvikling af aksialventilatoren og har, som vist i figur 8, et konisk formet løbehjul, hvor luft trækkes radialt gennem de ekspanderende kanaler og derefter føres aksialt gennem de udrettede ledevinger. Den kombinerede virkning kan producere et tryk, der er langt højere end muligt med andre aksialventilatorer. Virkningsgrad og støjniveauer kan svare til dem for en baglæns kurvet centrifugalventilator.

Figur 8: Blandet flow inline-ventilator

Installationen af ventilatoren

Bestræbelserne på at levere en effektiv ventilatorløsning kan blive alvorligt undermineret af forholdet mellem ventilatoren og de lokale kanalveje for luften.

Opslagstidspunkt: 07. januar 2022