Stanovenie charakteristík ventilátorov pre vetracie a klimatizačné jednotky

Dobre a spoľahlivo fungujúca vzduchotechnika sa v súčasnosti stala neoddeliteľnou súčasťou občianskych ale aj priemyselných budov. Hlavnými požiadavkami na funkčné prvky tvoriace vzduchotechnickú jednotku sú hlavne: zabezpečenie intenzity výmeny, čistoty, optimálnej teploty a v niektorých prípadoch aj vlhkosti vzduchu. Hlavným cieľom výrobcov týchto zariadení v posledných rokoch je zníženie prevádzkových nákladov a pokles hlučnosti pri splnení požadovaných funkcií zariadenia. Táto snaha o minimálnu energetickú náročnosť a minimálnu hladinu hluku vedie k vývoju, optimalizácií a následným skúškam nových riešení ventilátorov.

Väčšina moderných budov si vyžaduje ventilačné systémy rôznych foriem: prívod čerstvého vzduchu v úradoch a obchodoch, systémy na odvod vzduchu pre kuchyne, reštaurácie a telocvične. Vzduch musí byť často privádzaný potrubím z vonkajšieho prostredia resp. do vonkajšieho prostredia. Z hľadiska minimalizácie koncentrácie škodlivín v pobytovom priestore (hygienické predpisy) je prívod čerstvého vzduchu (vetranie) nutnosťou. Intenzita výmeny vzduchu určená podielom množstva privádzaného čerstvého vzduchu za 1 hodinu a objemu vetraného priestoru je hlavným parametrom pre priestory z hľadiska vetrania. Často sa stáva, že predmetom riešenia núteného vetrania je iba prívod alebo odvod vzduchu. V tomto prípade je dôležité zabezpečiť otvor príslušnej veľkosti pre nasatie, poprípade odvedenie vzduchu, zvlášť v dnešnej dobe, keď sa vyžaduje z hľadiska tepelných strát dokonale utesnenie budov.

Hlavným prvkom vzduchotechniky, zabezpečujúcim dopravu vzduchu, je ventilátor. Na distribúciu vzduchu v budovách sa prevažne používajú odstredivé radiálne ventilátory s dopredu alebo dozadu ohnutými lopatkami. Ventilátory bývajú osadzované jednotlivo, alebo sú spolu s ďalšími funkčnými prvkami súčasťou vetracej jednotky.

Výkon ventilátora je určený schopnosťou prekonať tlakový odpor vetracej sústavy ( tzv. tlakovú stratu potrubia mriežok a klapiek) a schopnosťou dopraviť určité množstvo vzduchu ( pre odvetranie WC je napríklad predpísané množstvo 50 m³/h). Závislosť medzi nimi je nepriamo úmerná (čím väčší odpor vetracej sústavy, tým menšie množstvo dopravovaného vzduchu).

Akákoľvek zmena prietokového prierezu potrubia alebo jeho tvaru (napr. vstupné a výstupné mriežky, oblúky, a pod. ) vyžaduje dodatočnú tlakovú diferenciu na udržanie prietoku vzduchu. V tabuľke č.1 sú uvedené približné tlakové straty najbežnejších prvkov vetracích a klimatizačných zariadení. Tlaková strata je v tomto prípade úmerná mocnine prietoku. Tlak v potrubí sa po dĺžke potrubia mení. Typický profil tlaku je znázornený na obr. č. 1. Ventilátor nasáva spotrebovaný vzduch z miestnosti a vyfukuje ho do atmosféry.

Obr. 1 Typický profil tlaku v závislosti od polohy vo ventilačnom potrubí

Tab. č.1 Tlakové straty niektorých prvkov vetracích a klimatizačných jednotiek.

Ventilátory používané v potrubných ventilačných systémoch môžu byť charakterizované prietokom V, ktorý vyprodukujú proti danej tlakovej diferencii p. Následne je výkon konkrétnej kombinácie ventilátora a potrubného systému zisťovaný nájdením hodnôt pre tlak p a prietok V, ktoré súčasne vyhovujú nasledujúcim dvom podmienkam:

Δp = celková tlaková diferencia potrebná pre potrubie a jednotlivé súčasti pri prietoku V
V = prietok dodaný ventilátorom pracujúcim pri tlakovej diferencii Δp.

Priestory, kde síce vzduchotechnika hučí, ale nevetrá, nebývajú až takou veľkou zvláštnosťou.

Nefunkčnosť ventilácie zvykne mať dve príčiny:

1. Zvolený nevhodný ventilátor.

1. Je zvolený ventilátor s nízkym vzduchovým výkonom tzn., že ventilátor nedokáže prekonať odpor vetracej sústavy a dopravované množstvo vzduchu je nižšie ako žiadané.
2. Je zvolený ventilátor, ktorého vzduchový výkon je značne zmenšený spätnou klapkou, ktorá tvorí súčasť ventilátora. Mechanický odpor a tlaková strata klapky zvyšujú celkovú tlakovú stratu vetracej sústavy a prietok vzduchu rapídne klesá. Táto okolnosť nieje výrobcami niekedy udávaná.

2. Nevhodná montáž axiálneho ventilátora zvyšujúca tlakové straty vetracej sústavy.

1. Axiálne ventilátory sú nevhodne použité pre dlhé potrubie s mechanickou spätnou klapkou, kolenami a vonkajšími mriežkami, čo spoločne predstavuje vetraciu sústavu s veľkou tlakovou stratou.
2. Nedostatočný prívod vzduchu do vetranej miestnosti (vzduch, ktorý z miestnosti odvedieme musíme nahradiť čerstvým vzduchom). Pokiaľ nezaistíme prívod vzduchu do miestnosti, napr. vetracou mriežkou vo dverách, nie je možné ani žiaden vzduch odviesť.

Aby sme boli schopní predísť takýmto chybným inštaláciám, je nutné poznať presné charakteristiky použitých komponentov, v prvom rade ventilátorov. Na katedre Energetickej techniky SjF TU v Košiciach bolo za týmto účelom vybudované špeciálne laboratórium aerodynamiky, kde je okrem iného umiestnené zariadenie nazývané Thomasov valec, pomocou ktorého je možné určiť presné charakteristiky rôznych typov ventilátorov.

Obr. 2 Pohľad na merací stend s Thomasovým valcom

Meranie na Thomasovom valci je založené na tzv. kalorimetrickej metóde. Meranie prietoku kalorimetrickou metódou spočíva v meraní tepelného výkonu prúdiaceho vzduchu, meraní zmeny teploty vzduchu spôsobenej dodaným teplom do prúdu vzduchu a ďalej je potrebné určiť hodnotu špecifickej tepelnej kapacity vzduchu v závislosti od aktuálnych podmienok prúdu vzduchu.

Zariadenie, nazývané Thomasov valec, ktoré využíva popísaný princíp, je schematicky zobrazené na obr. 3.

Obr.3 Princíp činnosti Thomasovho valca

Meranie prietoku s kompenzáciou tlakovej straty na meracom zariadení

Zariadenie na meranie prietoku - Thomasov valec, spolu s vyrovnávacím potrubím má určitý aerodynamický odpor. Aerodynamický odpor meracieho zariadenia zvyšuje aerodynamický odpor okruhu ventilátora, čím je prietok ventilátorom v čase merania menší, ako pri reálnych podmienkach činnosti ventilátora. Za účelom eliminovania vplyvu aerodynamického odporu meracieho zariadenia sa používa metóda založená na kompenzácii tlakového spádu na úseku meracieho zariadenia. Na obr. 4 je znázornená schéma zariadenia využívajúceho túto metódu. Vstupný otvor ventilátora je hermeticky spojený s komorou o veľkom objeme. Z druhej strany je ku komore pripojený kompenzačný ventilátor, meracie zariadenie - Thomasov valec spolu s vyrovnávacím potrubím. Vzduch prechádza cez potrubie, Thomasov valec, kompenzačný ventilátor, komoru a cez okruh samotného ventilátora. Mikromanometer pripojený ku komore a okolitému vzduchu zaznamenáva tlakovú stratu na úseku Thomasovho valca a vyrovnávacieho potrubia. Prídavný ventilátor je napájaný z frekvenčného meniča čím je možné plynulo meniť jeho výkon a tak vyrovnať tlakový rozdiel na nulu. Pri tomto stave medzi vnútrom komory a atmosférou nie je tlakový spád, číže vplyv aerodynamického odporu Thomasovho valca a vyrovnávacieho potrubia je eliminovaný. Odmeraný prietok v takomto prípade odpovedá reálnemu maximálnemu prietoku ventilátorom.

Obr. 4 Schéma meracieho zariadenia s Thomasovým valcom

Legenda k obrázku 4:

1 - Thomasov valec,
2 - kompenzačný ventilátor regulovaný frekvenčným meničom,
3 - vyrovnávacia komora,
4 - skúšaný ventilátor,
5 - regulátor prietoku,
6 - merací prístroj Almemo,
7 - meracie zariadenie Mersta,
8 - PC,
9 - meranie teploty a vlhkosti,
10 - meranie tlakovej diferencie,
11 - meranie výkonu ventilátora,
12 - meranie príkonu výhrevnej špirály,
13 - meranie napätia na termočlánku

Meranie prietoku ventilátorom

Najdôležitejšou veličinou ventilátorov, zvlášť ventilátorov používaných vo ventilácií, je stanovenie prietočného množstva. Po spustení skúšaného ventilátora umiestneného na meracom zariadení sa spustí merací software. Vytvorený software umožňuje ukladanie všetkých meraných a prepočítavaných hodnôt do výstupného súboru, ktorý sa ukladá buď v textovom, alebo v dátovom formáte. Takto uložené hodnoty je možné veľmi efektívne ďalej spracovať pomocou tabuľkového procesora. Na zostrojenie charakteristiky ventilátora potrebujeme určiť hodnotu prietoku pri rôznej tlakovej strate potrubia. Tlaková strata potrubia sa simuluje tým, že sa škrtí vstupný prierez potrubia. Pomocný ventilátor, ktorým sa vyrovnáva tlak vo vyrovnávacej komore, bol osadený frekvenčným meničom, pomocou ktorého je možné plynulo meniť otáčky vyrovnávacieho ventilátora a takto vykompenzovať tlakovú stratu prívodného potrubia.

Záver

Na meranie prietoku prúdu vzduchu existuje veľké množstvo meracích metód a postupov, ktoré sú viac či menej zložité a majú rôznu presnosť. Jednou z najpresnejších metód je metóda založená na kalorimetrickom princípe. Kalorimetrický princíp je použitý aj pri meraní pomocou Thomasovho valca. Aj keď je táto metóda veľmi presná, je založená na meraní veľkého počtu parametrov a výpočet prietoku je potom pomerne zložitý a prácny. Ak však celé meracie zariadenie je navrhnuté tak, aby sa všetky potrebné merané údaje zhromažďovali a spracovávali v PC je meraný prietok priamo zobrazený na monitore počítača bez potreby ďalšieho prepočítavania.

Thomasov valec je zvlášť vhodný na meranie prietoku ventilátorov používaných na vetranie a klimatizáciu, kde je rozhodujúce aj stanovenie tepelných parametrov prúdu vzduchu a má oproti iným metódam založeným na objemovom princípe celý rad výhod. Všetky merané hodnoty potrebné pre výpočet prietoku sú zaznamenávané a ukladané do externého textového súboru. Tieto hodnoty je potom možné veľmi efektívne ďalej spracovať v tabuľkovom procesore a získať tak napríklad výkonovú charakteristiku ventilátora alebo časový priebeh jednotlivých meraných veličín. Meranie je menej pracné a časovo menej náročné ako meranie pomocou vrtuľkového anemometra či thermoanemometra.

Príspevok je čiastkovým výstupom z riešenia projektu VEGA č. 1/0010/08.

Literatúra

[1] HAK, J., OŠIELŠIAK, O: Výpočet chlazení elektrických strojů. 1.díl, Fyzikální podklady výpočtu chlazení a ventilační výpočet. 1.vyd. Brno: Výzkumný a vývojový ústav elektrických strojů točivých, 1973. 628 s.
[2] MUKOSIEJ, J., ZAPASNIK, R.: Badania cieplne i wentylacyjne maszyn elektrycznych. 1. vyd. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa, 1964. 244 s. 77216/En.
[3] RAJNIAK, I. a kol.: Tepelno-energetické a emisné merania. Kníhtlačiareň Svornosť, spol. s.r.o., Bratislava, 1997. 482 s. ISBN 80-88683-20-3.
[4] VITÁZEK, I: Tepelné procesy v plynnom prostredí. 1.vyd. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, 2006. 98 s. ISBN 80-8069-716-7.
[5] HRUŽÍK, L.; KOZUBKOVÁ, M. Dynamika tekutinových mechanizmů - návody do cvičení. Ostrava: FS VŠB-TU Ostrava, 2006. 82 s. Dostupný z www: http://www.338.vsb.cz/seznam.htm
[6] MALCHO, M. - JANDAČKA, J.: Meranie a vyhodnotenie parametrov chladiacich stropov typu "Unitop 2002" a stenového vykurovania firmy Universa. Žilina 2002.