Prvky větracích a klimatizačních zařízení (I) - 1. část

1. ÚVOD

Součástí prakticky každého větracího a klimatizačního systému je ventilátor - zařízení sloužící k dopravě nejčastěji vzduchu (obecně plynů, např. spalin aj.). Jedná se o rotační lopatkový stroj, s širokým rozsahem použití nejen v zařízeních techniky prostředí. Hlavními parametry ventilátorů jsou celkový dopravní tlak, objemové množství vzduchu a příkon.

2. ROZDĚLENÍ VENTILÁTORŮ

2.1. PODLE SMĚRU PRŮTOKU VZDUCHU

Radiální ventilátory

Hlavními součástmi radiálního ventilátoru (obrázek 1) jsou oběžné kolo (1), sací hrdlo (2), výtlačné hrdlo (3), spirální skříň (4) a elektromotor (5). Součástí oběžného kola lopatkové kanály, které při otáčení zajišťují nasávání vzduchu v axiálním směru a výtlak ve směru kolmém na osu rotace (odtud radiální). Úkolem spirální skříně je. Obdobně jako u difusoru, přeměna kinetické energie na energii tlakovou.

Obrázek 1 - Schéma radiálního ventilátoru

Podle tvaru lopatek oběžného kola, rozlišujeme radiální ventilátory s

• dopředu zahnutými lopatkami
• dozadu zahnutými lopatkami
• radiálně zakončenými lopatkami

Nejpoužívanějšími ventilátory ve větrací a klimatizační technice jsou nízkotlaké ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami. Oběžné kolo s konstantní šířkou je konstrukčně jednoduché, i když počet lopatek je značný (cca 40 až 50). Jako materiál bývá nejčastěji použit pozinkovaný plech. Celková účinnost tohoto typu ventilátoru dosahuje hodnot 0,55 až 0,65.

Účinnější jsou ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami, jejichž celková účinnost se pohybuje v rozmezí 0,8 až 0,85. Tyto ventilátory se vyrábějí především jako středotlaké a vysokotlaké. Oběžná kola jsou většinou svařovaná s menším počtem lopatek (6 až 15).

Axiální ventilátory

Axiální ventilátor, jehož základní schéma je znázorněno na obrázku 2, se skládá zpravidla z rotoru (1) s oběžnými lopatkami (2), pláště (3), elektromotoru (4). Potrubní provedení axiálních ventilátorů bývá opatřeno přírubami (5). U axiálních ventilátorů proudí vzduch ve směru osy otáčení oběžného kola a používají se tam, kde je požadován velký průtok vzduchu bez vysokých nároků na dopravní tlak.

Axiální ventilátory je možné dále rozdělit na přetlakové a rovnotlaké. U přetlakových ventilátorů je statický tlak za oběžným kolem vyšší než před kolem. Objemové průtoky se pohybují v širokém pásmu hodnot a používají se nejčastěji pro větrací a klimatizační zařízení, ale i pro chladicí věže atd. Celková účinnost těchto ventilátorů se pohybuje kolem hodnoty 0,85.

Zejména v průmyslu se pak používají ventilátory rovnotlaké, u kterých je statický tlak za oběžným kolem stejný jako před kolem (v oběžném kole se proud vzduchu urychluje). Za oběžným kolem ventilátoru (průměr až 3 m) je umístěn difuzor, ve kterém při poklesu dynamického tlaku, roste tlak statický. Objemový průtok vzduchu dosahuje opět značných hodnot (až 300 m³/h), celková účinnost je cca 0,8.

Obrázek 2 - Schéma axiálního ventilátoru

Diagonální ventilátory

Diagonální ventilátor připomíná konstrukcí oběžného kola spíše radiální ventilátor, ve skutečnosti se jedná o přechod mezi axiálním a radiálním ventilátorem. Vzduch proudí do ventilátoru v axiálním směru, tedy ve směru osy rotace oběžného kola, avšak výtlak z ventilátoru je pod úhlem menším než 90°. Schéma tohoto typu ventilátoru je na obrázku 3, kde jsou vyznačeny hlavní součásti: oběžné kolo (1), skříň ventilátoru (2), sací hrdlo (3), výtlačné hrdlo (4) a elektromotor (5).

Obrázek 3 - Schéma diagonálního ventilátoru

Diametrální ventilátory

Schéma diametrálního ventilátoru je naznačeno na obrázku 4. Ventilátor nasává vzduch na vnějším obvodu oběžného kola (1) v sacím hrdle (2). Vzduch prochází příčně oběžným kolem a opět vystupuje na vnějším obvodu, odkud je dále vyfukován do výtlačného hrdla (3). Po obvodě oběžného kola jsou rozmístěny dopředu zahnuté lopatky. Šířka oběžného kola bývá 1 až 5-ti násobek vnějšího průměru oběžného kola. Tyto ventilátory se používají tam, kde je nutné nasávat vzduch v širokém podélném rozměru, např. je možné se s nimi setkat u některých typů jednotek fan-coil. Celková účinnost tohoto typu ventilátoru bývá 0,45 až 0,55.

Obrázek 4 - Schéma diametrálního ventilátoru

2.2. PODLE CELKOVÉHO DOPRAVNÍHO TLAKU

Radiální ventilátory

• nízkotlaké   - Δp < 1000 Pa
• středotlaké  - Δp = 1000 až 3000 Pa
• vysokotlaké - Δp > 3000 Pa

Axiální ventilátory

• rovnotlaké
• přetlakové

2.3. PODLE POHONU

• na přímo
• na spojku
• na řemen

2.4. PODLE POUŽITÍ

• bytové ventilátory
• potrubní ventilátory
• nástřešní ventilátory
• ventilátory pro odvod tepla a kouře
• nevýbušné ventilátory
• kyselinovzdorné ventilátory
• atd.

3. VLASTNOSTI VENTILÁTORŮ A JEJICH CHARAKTERISTIKY

Objemový průtok vzduchu V

Množství vzduchu, které je schopen ventilátor dopravit, určuje objemový průtok vzduchu V [m³/s], který je udáván zpravidla pro hustotu vzduchu ρ = 1,2 kg/m³. Pro různé druhy ventilátorů se objemový průtok vzduchu může pohybovat v širokém rozmezí hodnot od 0,015 m³/s až po cca 300 m³/s.

Celkový dopravní tlak Δp

Ventilátor musí zajistit průtok vzduchu sítí, což je vlastnost určená celkovým dopravním tlakem ventilátoru Δp [Pa]. Pro překonání tlakové ztráty potrubního systému a vřazených elementů (odporů) slouží statická složka tlaku.

U vysokotlakých ventilátorů je potřeba navíc počítat se stlačitelností vzduchu, která se obvykle u nízkotlakých a středotlakých ventilátorů zanedbává.

Výkon a příkon ventilátoru

Výkon ventilátoru je dán součinem průtoku a celkového dopravního tlaku

Příkon ventilátoru se stanoví z výkonu ventilátoru P a celkové účinnosti η_c, která je definována jako poměr mezi výkonem a příkonem ventilátoru.

Ohřátí vzduchu ve ventilátoru

Ohřátí vzduchu ve ventilátoru Δ_t (rozdíl teploty na sání a výtlaku ventilátoru) lze stanovit z bilance

odkud plyne

V klimatizačních zařízeních je však potřeba počítat s energií, kterou ventilátor předává proudícímu vzduchu. V potrubní síti se přemění na teplo téměř celý příkon ventilátoru a ohřátí vzduchu (je-li v proudu vzduchu i elektromotor ventilátoru) pak bude

Ohřátí vzduchu pro nízkotlaké a středotlaké ventilátory je znázorněno na obrázku 5. Je zřejmé, že pro nízkotlaké ventilátory nehraje ohřátí vzduchu výraznou roli, s vyšším dopravním tlakem však rozdíl teplot lineárně roste.

Obrázek 5 - Závislost ohřátí vzduchu na celkovém dopravním tlaku
a) ohřátí vzduchu při průchodu ventilátorem; b) ohřátí vzduchu v potrubní sítí s ventilátorem

3.1. CHARAKTERISTIKY VENTILÁTORŮ

Na obrázku 6 jsou znázorněny obecné charakteristiky ventilátoru, mezi něž patří:

• tlaková charakteristika - Δp = f (V)
• příkonová charakteristika - P_p = f (V)
• účinnostní charakteristika - η_c = f (V)

Charakteristické křivky jsou určeny měřením a výrobce je udává v katalogovém listu ventilátoru. Obvykle jsou vlastnosti ventilátorů udávány pro určitý stav vzduchu (ρ = 1,2 kg/m³).

Obrázek 6 - Obecné charakteristiky ventilátoru

3.2. PŘEPOČET VLASTNOSTÍ VENTILÁTORU

Za předpokladu, že je hustota vzduchu ρ konstantní, lze teoreticky spočítat změny funkčních parametrů ventilátoru při změně otáček dle tabulky 1a). Z uvedených vztahů je zřejmé, že objemový průtok vzduchu se mění úměrně s otáčkami. Celkový dopravní tlak se pak mění úměrně s druhou a příkon s třetí mocninou otáček.

Většina výrobců uvádí charakteristiky ventilátoru pro hustotu vzduchu ρ = 1,2 kg/m³. V případě změny hustoty, která závisí na teplotě dopravovaného vzduchu (např. při odvodu tepla a kouře), lze parametry ventilátoru při daných otáčkách přepočítat dle tabulky 1b).

Parametr	a) změna otáček při ρ = konst.	b) změna hustoty při n = konst.
Objemový průtok vzduchu V [m3/s]
Celkový dopravní tlak Δp [Pa]
Výkon ventilátoru P [W]

Tabulka 1 - Vztahy pro přepočet vlastností ventilátoru

LITERATURA

[1] DRKAL F., Distribuce vzduchu, vzduchotechnické sítě, ventilátory. 2006, Podklady ke kurzu CŽV (nepublikováno)
[2] CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. 1993, Brno: Bolit B-press. 560 s. ISBN 80-901574-0-8
[3] NOVÝ, R. Ventilátory. 1997, Vydavatelství ČVUT, Praha. ISBN 80-01-00987-4