Ανεμιστήρες για συστήματα αερισμού με αγωγούς
Αυτή η ενότητα εξετάζει τους φυγοκεντρικούς και αξονικούς ανεμιστήρες που χρησιμοποιούνται σε συστήματα αερισμού με αεραγωγούς και λαμβάνει υπόψη επιλεγμένες πτυχές, συμπεριλαμβανομένων των χαρακτηριστικών και των λειτουργικών τους χαρακτηριστικών.
Οι δύο συνηθισμένοι τύποι ανεμιστήρων που χρησιμοποιούνται στις υπηρεσίες κτιρίων για συστήματα αεραγωγών αναφέρονται γενικά ως φυγοκεντρικοί και αξονικοί ανεμιστήρες - το όνομα προέρχεται από την καθοριστική κατεύθυνση της ροής του αέρα μέσω του ανεμιστήρα. Αυτοί οι δύο τύποι χωρίζονται σε έναν αριθμό υποτύπων που έχουν αναπτυχθεί για να παρέχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ροής/πίεσης όγκου, καθώς και άλλα λειτουργικά χαρακτηριστικά (συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους, του θορύβου, των κραδασμών, της καθαριότητας, της συντηρησιμότητας και της ανθεκτικότητας).
Πίνακας 1: Δημοσιευμένα δεδομένα μέγιστης απόδοσης ανεμιστήρων στις ΗΠΑ και την Ευρώπη για ανεμιστήρες διαμέτρου >600 mm
Μερικοί από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους τύπους ανεμιστήρων στον HVAC παρατίθενται στον Πίνακα 1, μαζί με ενδεικτικές μέγιστες αποδόσεις που έχουν συλλεχθεί1 από δεδομένα που έχουν δημοσιευτεί από μια σειρά κατασκευαστών των ΗΠΑ και της Ευρώπης. Εκτός από αυτούς, ο ανεμιστήρας «βύσματος» (που είναι στην πραγματικότητα μια παραλλαγή του φυγοκεντρικού ανεμιστήρα) έχει γνωρίσει αυξανόμενη δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια.
Σχήμα 1: Γενικές καμπύλες ανεμιστήρων. Οι πραγματικοί ανεμιστήρες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από αυτές τις απλοποιημένες καμπύλες.
Οι χαρακτηριστικές καμπύλες των ανεμιστήρων παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Αυτές είναι υπερβολικές, ιδανικές καμπύλες και οι πραγματικοί ανεμιστήρες μπορεί να διαφέρουν από αυτές. Ωστόσο, είναι πιθανό να παρουσιάζουν παρόμοια χαρακτηριστικά. Αυτό περιλαμβάνει τις περιοχές αστάθειας που οφείλονται σε κυνήγι, όπου ο ανεμιστήρας μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ δύο πιθανών ρυθμών ροής στην ίδια πίεση ή ως συνέπεια της διακοπής λειτουργίας του ανεμιστήρα (βλ. Διακοπή λειτουργίας του κιβωτίου ροής αέρα). Οι κατασκευαστές θα πρέπει επίσης να προσδιορίζουν τα προτιμώμενα «ασφαλή» εύρη λειτουργίας στη βιβλιογραφία τους.
Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες
Με τους φυγοκεντρικούς ανεμιστήρες, ο αέρας εισέρχεται στην πτερωτή κατά μήκος του άξονά της και στη συνέχεια εκκενώνεται ακτινικά από την πτερωτή με φυγοκεντρική κίνηση. Αυτοί οι ανεμιστήρες είναι ικανοί να παράγουν τόσο υψηλές πιέσεις όσο και υψηλούς ρυθμούς ροής. Η πλειονότητα των παραδοσιακών φυγοκεντρικών ανεμιστήρων περικλείεται σε ένα περίβλημα τύπου σπειροειδούς (όπως στο Σχήμα 2) που λειτουργεί για να κατευθύνει τον κινούμενο αέρα και να μετατρέπει αποτελεσματικά την κινητική ενέργεια σε στατική πίεση. Για να μετακινηθεί περισσότερος αέρας, ο ανεμιστήρας μπορεί να σχεδιαστεί με μια πτερωτή «διπλού πλάτους διπλής εισόδου», επιτρέποντας την είσοδο αέρα και στις δύο πλευρές του περιβλήματος.
Σχήμα 2: Φυγοκεντρικός ανεμιστήρας σε σπειροειδές περίβλημα, με πτερωτή με αντίστροφη κλίση
Υπάρχουν διάφορα σχήματα πτερυγίων που μπορούν να αποτελέσουν την πτερωτή, με τους κύριους τύπους να είναι καμπυλωμένοι προς τα εμπρός και καμπυλωμένοι προς τα πίσω - το σχήμα της πτερωτής θα καθορίσει την απόδοσή της, την πιθανή απόδοση και το σχήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης του ανεμιστήρα. Οι άλλοι παράγοντες που θα επηρεάσουν την απόδοση του ανεμιστήρα είναι το πλάτος του τροχού της πτερωτής, ο χώρος μεταξύ του κώνου εισόδου και της περιστρεφόμενης πτερωτής και η περιοχή που χρησιμοποιείται για την εκκένωση του αέρα από τον ανεμιστήρα (η λεγόμενη «περιοχή εκτόξευσης»).
Αυτός ο τύπος ανεμιστήρα παραδοσιακά κινούνταν από έναν κινητήρα με διάταξη ιμάντα και τροχαλίας. Ωστόσο, με τη βελτίωση των ηλεκτρονικών ελέγχων ταχύτητας και την αυξημένη διαθεσιμότητα ηλεκτρονικά μεταγωγικών («EC» ή κινητήρων χωρίς ψήκτρες), οι άμεσοι κινητήρες χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά. Αυτό όχι μόνο εξαλείφει τις αναποτελεσματικότητα που είναι εγγενείς σε έναν ιμάντα κίνησης (που μπορεί να κυμαίνεται από 2% έως περισσότερο από 10%, ανάλογα με τη συντήρηση2), αλλά είναι επίσης πιθανό να μειώσει τους κραδασμούς, να μειώσει τη συντήρηση (λιγότερα ρουλεμάν και απαιτήσεις καθαρισμού) και να κάνει το συγκρότημα πιο συμπαγές.
Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες με οπίσθια καμπύλη
Οι ανεμιστήρες με καμπύλη προς τα πίσω (ή «κεκλιμένοι») χαρακτηρίζονται από πτερύγια που γέρνουν μακριά από την κατεύθυνση περιστροφής. Μπορούν να φτάσουν σε απόδοση έως και 90% όταν χρησιμοποιούνται πτερύγια αεροτομής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, ή με απλά πτερύγια σε τρισδιάστατο σχήμα, και ελαφρώς λιγότερες όταν χρησιμοποιούνται απλά καμπύλα πτερύγια, και πάλι λιγότερες όταν χρησιμοποιούνται απλά πτερύγια με επίπεδη πλάκα και με οπίσθια κλίση. Ο αέρας φεύγει από τις άκρες της πτερωτής με σχετικά χαμηλή ταχύτητα, επομένως οι απώλειες τριβής εντός του περιβλήματος είναι χαμηλές και ο θόρυβος που παράγεται από τον αέρα είναι επίσης χαμηλός. Μπορεί να σταματήσουν στα άκρα της καμπύλης λειτουργίας. Οι σχετικά φαρδύτερες πτερωτές θα παρέχουν μέγιστη απόδοση και μπορούν εύκολα να χρησιμοποιήσουν τα πιο ογκώδη πτερύγια με προφίλ αεροτομής. Οι λεπτές πτερωτές θα δείξουν μικρό όφελος από τη χρήση αεροτομών, επομένως τείνουν να χρησιμοποιούν πτερύγια επίπεδης πλάκας. Οι ανεμιστήρες με καμπύλη προς τα πίσω είναι ιδιαίτερα γνωστοί για την ικανότητά τους να παράγουν υψηλές πιέσεις σε συνδυασμό με χαμηλό θόρυβο και έχουν χαρακτηριστικό ισχύος που δεν προκαλεί υπερφόρτωση - αυτό σημαίνει ότι καθώς η αντίσταση μειώνεται σε ένα σύστημα και αυξάνεται η παροχή, η ισχύς που καταναλώνεται από τον ηλεκτρικό κινητήρα θα μειωθεί. Η κατασκευή των ανεμιστήρων με καμπύλη προς τα πίσω είναι πιθανό να είναι πιο στιβαρή και μάλλον βαρύτερη από τον λιγότερο αποδοτικό ανεμιστήρα με καμπύλη προς τα εμπρός. Η σχετικά χαμηλή ταχύτητα του αέρα κατά μήκος των πτερυγίων μπορεί να επιτρέψει τη συσσώρευση ρύπων (όπως σκόνη και γράσο).
Σχήμα 3: Απεικόνιση φυγοκεντρικών πτερωτών ανεμιστήρων
Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες με καμπύλη προς τα εμπρός
Οι ανεμιστήρες με εμπρόσθια καμπύλη χαρακτηρίζονται από μεγάλο αριθμό εμπρόσθιων καμπυλωμένων πτερυγίων. Καθώς συνήθως παράγουν χαμηλότερες πιέσεις, είναι μικρότεροι, ελαφρύτεροι και φθηνότεροι από τον αντίστοιχο τροφοδοτούμενο ανεμιστήρα με οπίσθια καμπύλη. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 και στο Σχήμα 4, αυτός ο τύπος πτερωτής ανεμιστήρα θα περιλαμβάνει πάνω από 20 πτερύγια που μπορούν να κατασκευαστούν τόσο απλά όσο ένα ενιαίο μεταλλικό φύλλο. Βελτιωμένη απόδοση επιτυγχάνεται σε μεγαλύτερα μεγέθη με μεμονωμένα διαμορφωμένα πτερύγια. Ο αέρας φεύγει από τις άκρες των πτερυγίων με υψηλή εφαπτομενική ταχύτητα και αυτή η κινητική ενέργεια πρέπει να μετατραπεί σε στατική πίεση στο περίβλημα - αυτό μειώνει την απόδοση. Χρησιμοποιούνται συνήθως για χαμηλούς έως μεσαίους όγκους αέρα σε χαμηλή πίεση (συνήθως <1,5kPa) και έχουν σχετικά χαμηλή απόδοση κάτω από 70%. Το σπειροειδές περίβλημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την επίτευξη της καλύτερης απόδοσης, καθώς ο αέρας φεύγει από την άκρη των πτερυγίων με υψηλή ταχύτητα και χρησιμοποιείται για την αποτελεσματική μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε στατική πίεση. Λειτουργούν σε χαμηλές ταχύτητες περιστροφής και, ως εκ τούτου, τα μηχανικά παραγόμενα επίπεδα θορύβου τείνουν να είναι χαμηλότερα από τους ανεμιστήρες με οπίσθια καμπύλη υψηλότερης ταχύτητας. Ο ανεμιστήρας έχει χαρακτηριστικό ισχύος υπερφόρτωσης όταν λειτουργεί με χαμηλές αντιστάσεις συστήματος.
Σχήμα 4: Φυγοκεντρικός ανεμιστήρας με εμπρόσθια καμπύλη και ενσωματωμένο κινητήρα
Αυτοί οι ανεμιστήρες δεν είναι κατάλληλοι σε περιπτώσεις όπου, για παράδειγμα, ο αέρας είναι πολύ μολυσμένος με σκόνη ή μεταφέρει παρασυρμένα σταγονίδια λίπους.
Σχήμα 5: Παράδειγμα ανεμιστήρα άμεσης κίνησης με πτερύγια καμπυλωμένα προς τα πίσω
Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες με ακτινικά πτερύγια
Ο φυγοκεντρικός ανεμιστήρας με ακτινικές λεπίδες έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να μετακινεί μολυσμένα σωματίδια αέρα και σε υψηλές πιέσεις (της τάξης των 10kPa), αλλά, λειτουργώντας σε υψηλές ταχύτητες, είναι πολύ θορυβώδης και αναποτελεσματικός (<60%) και επομένως δεν πρέπει να χρησιμοποιείται για HVAC γενικής χρήσης. Επίσης, πάσχει από ένα χαρακτηριστικό ισχύος υπερφόρτωσης - καθώς μειώνεται η αντίσταση του συστήματος (ίσως με το άνοιγμα των αποσβεστήρων ελέγχου έντασης), η ισχύς του κινητήρα θα αυξηθεί και, ανάλογα με το μέγεθος του κινητήρα, ενδέχεται να «υπερφορτωθεί».
Ανεμιστήρες με βύσμα
Αντί να τοποθετούνται σε σπειροειδές περίβλημα, αυτές οι ειδικά σχεδιασμένες φυγοκεντρικές πτερωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας στο περίβλημα της μονάδας διαχείρισης αέρα (ή, μάλιστα, σε οποιονδήποτε αγωγό ή θάλαμο), και το αρχικό τους κόστος είναι πιθανό να είναι χαμηλότερο από τους κλειστούς φυγοκεντρικούς ανεμιστήρες. Γνωστοί ως φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες «θάλαμος», «βύσμα» ή απλώς «μη κλειστοί», αυτοί μπορούν να προσφέρουν ορισμένα πλεονεκτήματα χώρου, αλλά με το κόστος της απώλειας λειτουργικής απόδοσης (με τις καλύτερες αποδόσεις να είναι παρόμοιες με αυτές των κλειστών φυγοκεντρικών ανεμιστήρων με εμπρόσθια καμπύλη). Οι ανεμιστήρες θα εισρέουν αέρα μέσω του κώνου εισόδου (με τον ίδιο τρόπο όπως ένας κλειστός ανεμιστήρας) αλλά στη συνέχεια θα εκβάλλουν τον αέρα ακτινικά γύρω από ολόκληρη την εξωτερική περιφέρεια 360° της πτερωτής. Μπορούν να παρέχουν μεγάλη ευελιξία στις συνδέσεις εξόδου (από τον θάλαμο), πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχει λιγότερη ανάγκη για παρακείμενες καμπύλες ή απότομες μεταβάσεις στους αγωγούς που θα πρόσθεταν οι ίδιες στην πτώση πίεσης του συστήματος (και, επομένως, σε πρόσθετη ισχύ ανεμιστήρα). Η συνολική απόδοση του συστήματος μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας εισόδους τύπου κωδωνοειδούς στομίου στους αγωγούς που εξέρχονται από τον θάλαμο. Ένα από τα πλεονεκτήματα του βυσματούμενου ανεμιστήρα είναι η βελτιωμένη ακουστική του απόδοση, η οποία οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην ηχοαπορρόφηση εντός του θαλάμου και στην έλλειψη «άμεσης ορατότητας» από την πτερωτή στο στόμιο του αγωγού. Η απόδοση θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από τη θέση του ανεμιστήρα εντός του θαλάμου και τη σχέση του ανεμιστήρα με την έξοδό του – ο θαλάμος χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας στον αέρα και έτσι την αύξηση της στατικής πίεσης. Η ουσιαστικά διαφορετική απόδοση και η διαφορετική σταθερότητα λειτουργίας θα εξαρτηθούν από τον τύπο της πτερωτής – οι πτερωτές μικτής ροής (που παρέχουν συνδυασμό ακτινικής και αξονικής ροής) έχουν χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση προβλημάτων ροής που προκύπτουν από το ισχυρό ακτινικό μοτίβο ροής αέρα που δημιουργείται χρησιμοποιώντας απλές φυγοκεντρικές πτερωτές3.
Για μικρότερες μονάδες, ο συμπαγής σχεδιασμός τους συχνά συμπληρώνεται με τη χρήση εύκολα ελεγχόμενων κινητήρων EC.
Αξονικοί ανεμιστήρες
Στους ανεμιστήρες αξονικής ροής, ο αέρας διέρχεται από τον ανεμιστήρα ευθυγραμμισμένο με τον άξονα περιστροφής (όπως φαίνεται στον απλό αξονικό ανεμιστήρα με σωλήνα του Σχήματος 6) – η συμπίεση παράγεται από αεροδυναμική ανύψωση (παρόμοια με την πτέρυγα ενός αεροσκάφους). Αυτοί μπορούν να είναι συγκριτικά συμπαγείς, χαμηλού κόστους και ελαφριοί, ιδιαίτερα κατάλληλοι για την κίνηση αέρα υπό σχετικά χαμηλές πιέσεις, επομένως χρησιμοποιούνται συχνά σε συστήματα εξαγωγής όπου οι πτώσεις πίεσης είναι χαμηλότερες από τα συστήματα τροφοδοσίας – η τροφοδοσία συνήθως περιλαμβάνει την πτώση πίεσης όλων των εξαρτημάτων κλιματισμού στη μονάδα επεξεργασίας αέρα. Όταν ο αέρας φεύγει από έναν απλό αξονικό ανεμιστήρα, θα στροβιλίζεται λόγω της περιστροφής που προσδίδεται στον αέρα καθώς διέρχεται από την πτερωτή – η απόδοση του ανεμιστήρα μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με πτερύγια οδήγησης κατάντη για την ανάκτηση του στροβιλισμού, όπως στον αξονικό ανεμιστήρα με πτερύγια που φαίνεται στο Σχήμα 7. Η απόδοση ενός αξονικού ανεμιστήρα επηρεάζεται από το σχήμα της λεπίδας, την απόσταση μεταξύ της άκρης της λεπίδας και του περιβάλλοντος περιβλήματος και την ανάκτηση του στροβιλισμού. Το βήμα της λεπίδας μπορεί να τροποποιηθεί για να μεταβάλλεται αποτελεσματικά η απόδοση του ανεμιστήρα. Αντιστρέφοντας την περιστροφή των αξονικών ανεμιστήρων, μπορεί επίσης να αντιστραφεί η ροή του αέρα - αν και ο ανεμιστήρας θα σχεδιαστεί για να λειτουργεί στην κύρια κατεύθυνση.
Σχήμα 6: Ένας ανεμιστήρας αξονικής ροής με σωλήνα
Η χαρακτηριστική καμπύλη για τους αξονικούς ανεμιστήρες έχει μια περιοχή ακινητοποίησης που μπορεί να τους καταστήσει ακατάλληλους για συστήματα με ένα ευρέως μεταβαλλόμενο εύρος συνθηκών λειτουργίας, αν και έχουν το πλεονέκτημα ενός χαρακτηριστικού ισχύος που δεν προκαλεί υπερφόρτωση.
Σχήμα 7: Ανεμιστήρας αξονικής ροής με πτερύγια
Οι αξονικοί ανεμιστήρες με πτερύγια μπορούν να είναι εξίσου αποτελεσματικοί με τους φυγοκεντρικούς ανεμιστήρες με οπίσθια καμπύλη και είναι σε θέση να παράγουν υψηλές ροές σε λογικές πιέσεις (συνήθως γύρω στα 2kPa), αν και είναι πιθανό να δημιουργήσουν περισσότερο θόρυβο.
Ο ανεμιστήρας μικτής ροής αποτελεί εξέλιξη του αξονικού ανεμιστήρα και, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, έχει μια κωνική πτερωτή όπου ο αέρας έλκεται ακτινικά μέσω των διαστελλόμενων καναλιών και στη συνέχεια διέρχεται αξονικά μέσω των πτερυγίων οδήγησης ευθυγράμμισης. Η συνδυασμένη δράση μπορεί να παράγει πίεση πολύ υψηλότερη από ό,τι είναι δυνατό με άλλους ανεμιστήρες αξονικής ροής. Η απόδοση και τα επίπεδα θορύβου μπορεί να είναι παρόμοια με εκείνα ενός φυγοκεντρικού ανεμιστήρα αντίστροφης καμπύλης.
Σχήμα 8: Ενσωματωμένος ανεμιστήρας μικτής ροής
Η εγκατάσταση του ανεμιστήρα
Οι προσπάθειες για την παροχή μιας αποτελεσματικής λύσης για τον ανεμιστήρα ενδέχεται να υπονομευτούν σοβαρά από τη σχέση μεταξύ του ανεμιστήρα και των τοπικών αγωγών για τον αέρα.
Ώρα δημοσίευσης: 7 Ιανουαρίου 2022