Анализ конструкции вентиляторов

Лабораторный практикум

по курсу

Холодильное и вентиляционное оборудование

Чебоксары, 2011 г.

Практикум составлен в соответствии с примерной программой дисциплины «Холодильное и вентиляционное оборудование» для Высших учебных заведений по специальности 110303.65 - «Механизация переработки с.-х. продукции», утвержденной руководителем Департамента образовательных программ и стандартов профессионального образования Л.С. Гребневым 27.06.2001 г.

По каждой работе сообщается принцип действия и устройства машин, теоретические сведения, методика основных расчетов машин, тематический план дисциплины, список рекомендуемой литературы.

Составители:

д.т.н., профессор Новикова Г.В.

к.т.н., доцент Новиков А.М.

ассистент Белов Е.Л.

Рецензенты:

Д.т.н., профессор кафедры

«Механизация животноводства»

ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА» П.В. Зайцев

К.т.н., доцент кафедры

ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА» А.М. Новиков

Лабораторный практикум рассмотрен на заседании:

- кафедры «Механизация переработки с.х. продукции»

(протокол №7 от 22.02. 2011 г.);

- методической комиссии инженерного факультета

(протокол № 5 от 24.02. 2011 г.).

Холодильное и вентиляционное оборудование

Содержание дисциплины:

Работа № 1

Анализ конструкции вентиляторов

Цель работы: изучить конструкции вентиляторов. Выявить дос­тоинства и недостатки различных типов вентиляторов.

Оборудование и приспособления: Стенды, плакаты.

Гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости, называется нагнетателем. К нагнетателям относятся полосы и воздуходувные ма­шины. Воздуходувные машины служат для повышения давления и подачи воздуха или другого газа. В зависимости от степени сжатия возду­ходувные машины разделяются на вентиляторы и компрессоры.

Вентилятор - воздуходувная машина, предназначенная для пода­чи воздуха или другого газа под давлением до 15 кПа при организа­ции воздухообмена и широко используются в вентиляционных установ­ках, в технологических агрегатах и в виде отдельных узлов некоторых машин.

По принципу действия и устройству вентиляторы делятся на центробежные и осевые.

Рис. 1. Принципиальная аэродинамическая схема центробежного вентилятора: 1- рабочее колесо; 2 – корпус; 3 – коллектор; 4 – направляющий аппарат; 5 – медная коробка; 6 – диффузор

В центробежном вентиляторе поток газа, поступающего во вра­щающееся рабочее колесо, изменяет направление движения с осевого на радиальное, а в осевом вентиляторе направление потока не изме­няется. Основными элементами вентилятора являются рабочее колесо 1, корпус 2 и коллектор 3. У крупных вентиляторов неотъемлемыми частями также являются направляющий аппарат 4 и диффузор 6. Кроме перечисленных элементов у центробежных вентиляторов могут быть медные коробки 5, а у осевых вентиляторов - обтекатель б, промежуточный направляющий аппарат 2 и спрямляющий аппарат 4 (рис. 2).

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия или подачи воздуха, или какого-либо газа под давлением не ниже 0, 2 МПа.

В зависимости от свойств среды (газ, сжиженный газ и т.п.) применяют нагнетатели различных типов и конструкций. В практике часто встречаются нагнетатели различных типов, названия которым даны в зависимости от их назначения и особенностей эксплуатации. Нагнетатели в основном классифицируют по принципу действия и конструкции.

В этом случае их подразделяют на объемные и динамические.

Объемные нагнетатели работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно - поступательные (диафрагментные, поршневые) и роторные (аксиально-поршневые и радиально-поршневые, шиберные, зубчатые, винтовые и т.п.) насосы.

Динамические нагнетатели работают по принципу силового воз­действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (ради­альные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

Нагнетатели, используемые в системах теплогазоснабжения и вентиляции, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) соответствие фактических параметров работы (Р, L, N) заданным расчетным условиям;

2) возможность регулирования подачи и давления в определенных пределах;

3) устойчивость и надежность в работе;

4) простота монтажа;

5) бесшумность при работе.

В осевом вентиляторе (рис. 2) поток движется преимущественно в направлении осей вращения и некоторое закручивание приобретает лишь при выходе из колеса. Поток через коллектор поступает в входной направляющий аппарат, затем в рабочее колесо и в выходной направляющий аппарат. Колесо сидит на валу, вращающемся в под­шипниках, закрепленных на стойках. Колесо и направляющие аппараты закреплены в кожух (обечайку). Втулка рабочего колеса имеет обте­катель. Как в осевом, так и в радиальном передача энергии от дви­гателя потоку среды происходит во вращающемся рабочем колесе.

Рис. 2. Схема осевого вентилятора: 1 – коллектор; 2 – входной направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо; 4 – выходной направляющий аппарат; 5 – корпус (обечайка); 6 – обтекатель

Осевые нагнетатели просты в изготовлении, компактны, реверсивны по сравнению с радиальным нагнетателем они имеют более высокие КПД и подачу при относительно низком давлении (напоре).

К достоинствам центробежных (радиальных) вентиляторов следует отнести возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, высокий КПД (более 80 %), простоту изготовле­ния, высокую равномерность подачи и относительную простоту ее ре­гулирования. Недостатком является то; что подача зависит от сопротивления сети.

В прямоточном радиальном вентиляторе перемещаемая среда в начале также движется в осевом направлении и поступает во вращаю­щееся рабочее колесо, где под действием центробежной силы прохо­дит в радиальном направлении в межлопаточном пространстве и выхо­дит в осевом направлении по кольцу через радиальный лопастной диффузор, стенки которого имеют криволинейную форму, а лопатки установлены на осесимметричном коленообразном участке диффузора. В диффузоре часть динамического давления преобразуется в стати­ческое. КПД вентилятора достигает 70 %. Одним из преимуществ вен­тиляторов такого типа является возможность размещения электри­ческого двигателя внутри корпуса, что приводит к улучшению им­пульсных характеристик установки. Изготовление таких вентиляторов несколько сложнее, чем обычных.

Рис. 3. Схема прямоточного радиального вентилятора: 1 - корпус; 2 - рабочее колесо; 3 - диффузор

Смерчевой вентилятор (рис. 4) имеет рабочее колесо с неболь­шим числом лопаток, прикрепленных к заднему диску. Это колесо размещено в специальной нише в задней стенке спирального кожуха. При вращении колеса возникает вихревое течение, аналогичное ат­мосферному вихрю - смерчу, в центральной и периферийной частях которого образуется перепад давлений, являющийся побудителем дви­жения воздуха. Вследствие этого основная часть потока с содержа­щимися в нем примесями проходит через нагнетатель, минуя рабочее колесо. КПД вентилятора не превышает 60 %.

Рис. 4. Схема смерчевого вентилятора: 1 - кожух; 2 - лопатка; 3 - задний диск

Дисковый вентилятор (рис. 5.) относится к нагнетателям тре­ния. Рабочее колесо у такого нагнетателя представляет собой пакет дисков (колец), расположенных с небольшим зазором перпендикулярно оси вращения колеса.

Рис. 5. Схема дискового вентилятора: 1 - корпус; 2 - рабочее колесо

Рис. 6. Схема диаметрального вентилятора: 1 - рабочее колесо; 2 - корпус; 3 - неподвижное тело

Передача энергии от колеса потоку воздуха происходит в результате действия сил трения в пограничном слое, образующемся на дисках. Отсутствие срывных вихревых зон неизбеж­ных в лопастном рабочем колесе, способствует устойчивой работе дисковых машин с малым шумом. КПД таких нагнетателей не превышает 40-45 %. Диаметральный вентилятор (рис. 6.) имеет следующий принцип действия. Если во вращающееся колесо барабанного типа поместить неподвижное тело, расположенное симметрично относительно оси ко­леса, то осесимметричный вихрь, образующийся вокруг колеса, сме­щается в сторону, и возникает течение воздуха через колесо в сто­рону меньшего сечения. Поперечное течение появляется также и при установке лопаточного колеса в несимметричном коленообразном кор­пусе.

Диаметральные вентиляторы имеют следующие преимущества по сравнению с радиальными: диаметральные вентиляторы с широкими ко­лесами могут непосредственно присоединяться к воздуховодам, имею­щим сечение в форме вытянутого прямоугольника; диаметральные вен­тиляторы могут создавать значительные давления даже при невысоких окружных скоростях рабочих колес, поскольку поток воздуха дважды пересекает лопаточное колесо.

Недостатки, мешающие более широкому применению диаметральных вентиляторов: невысокий КПД (максимальный 60-65 %), повышенный уровень шума, возможность появления неустойчивых режимов работы в области, где с увеличением подачи наблюдается рост давления, су­щественные перегрузки электродвигателя при уменьшении сопротивле­ния сети.

Области применения различных вентиляторов

Большинство приточно-вытяжных установок граждански общест­венных и промышленных зданий оснащено радиальными вентиляторами низкого и среднего давления.

Радиальные вентиляторы являются неотъемлемой частью котлоагрегатов тепловых электростанций и крупных котельных. Для отсасы­вания дымовых газов из топок котельных агрегатов применяют ды­мососы. Для подачи воздуха в топки котлоагрегатов предназначены дутьевые вентиляторы. При сжигании в топках котлоагрегатов неаг­рессивной угольной пыли ее пневматическая транспортировка осу­ществляется мельничными вентиляторами.

Малогабаритные радиальные вентиляторы с диаметрами рабочих колес менее 200 мм в последние годы все шире используют для прак­тического решения задач современной техники. Они применяются для создания микроклимата в ограниченном пространстве, охлаждения ра­диоэлектронной аппаратуры, обслуживания портативных фильтров и других целей.

Радиальные вентиляторы среднего и высокого давления широко применяются в системах пневмотранспорта деревообрабатывающих, металлургических, машиностроительных и других предприятий.

Специфические особенности технологического процесса ряда производств обусловили появление радиальных вентиляторов, выполненных из нержавеющей стали, из алюминиевых сплавов с повышенной защитой от искрообразования, из титановых сплавов, пластмассы и т.д.

Осевые вентиляторы используются в установках местного про­ветривания для вентиляции отдельных выработок, стволов и участков шахтной вентиляционной сети; для проветривания станций и перегон­ных тоннелей метрополитена.

Прямоточные радиальные вентиляторы используют в установках с ограниченными размерами. Их возможно применять в кондиционерах.

Смерчевые вентиляторы целесообразно применять для перемеще­ния среды, которую нельзя подвергать механическому повреждению, а также для пневматического транспортирования материалов, вызываю­щих большой износ лопаток и дисков рабочих колес.

Дисковые вентиляторы благодаря своей малошумности устанавли­ваются в местных кондиционерах для вентиляции помещений, где не­допустим шум и в других специальных установках.

Диаметральные вентиляторы благодаря их конструктивным осо­бенностям начинают широко использоваться в системах вентиляций и кондиционирования воздуха кабин самоходных с.-х. машин, в элект­ротермическом оборудовании, бытовых установках и т.п.

Единая общепринятая классификация радиальных вентиляторов до сих пор не разработана. Однако вентиляторы можно классифицировать по отдельным признакам: назначению, создаваемому давлению, быст­роходности, компоновке и т. д.

Радиальные вентиляторы, применяемые практически во всех от­раслях народного хозяйства, можно разделить на две большие груп­пы: вентиляторы общего назначения и вентиляторы специального наз­начения.

Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения воздуха и других газовых смесей, агрессивность которых по отноше­нию к углеродистой стали обыкновенного качества не выше агрессив­ности воздуха с температурой до 80 ⁰С, не содержащих пыли и дру­гих твердых примесей в количестве более 100 мг/м³, а также липких веществ и волокнистых материалов. Серийно выпускаются вентиляторы номеров от 2, 5 до 20.

В соответствии с ГОСТ 5576-73 вентиляторы общего назначения имеют обозначения типа Ц (центробежный), пятикратного значения коэффициента полного давления и значения быстроходности при режиме h_max, скругленных до целых чисел. К этому обозначению добавля­ют номер вентилятора численно равный диаметру колеса в децимет­рах. Так, вентилятор с диаметром рабочего колеса d = 0, 4 м, имеющий при режиме h_max коэффициент полного давления f = 0, 86 и быстроход­ность ns = 70, 3, обозначают Ц4-70 N 4.

Отношение полного давления рh к динамическому pd, где ско­рость потока равна окружной скорости получила название коэффици­ента полного давления (f).

Коэффициентом быстроходности ns называют такую частоту вра­щения геометрически подобного насоса, который при напоре Н = 1 м имеет подачу Q = 0, 075 м³/с.

Вентиляторы специального назначения применяются для работы в системах пневмотранспорта; для перемещения среды, содержащей аг­рессивные вещества, газов с высокой температурой, газопаровоздушных взрывоопасных смесей и т. д. Эти вентиляторы, в свою очередь можно, разделить на пылевые, корозионно-стойкие, искрозащитные, тягодутьевые, малогабаритные, судовые, шахтные, мельничные и т.д.

Вентиляторы, предназначенные для перемещения воздуха с раз­личными механическими примесями, называют пылевыми. В обозначении этих вентиляторов добавлена, буква П.

Пылевые вентиляторы типа Щ17-40 предназначены для перемещения не взрывоопасных неабразивных пылегазовоздушных смесей, аг­рессивность которых по отношению к углеродистой стали обыкновен­ного качества не выше агрессивности воздуха, с температурой не выше 80 ⁰С, не содержащих липких веществ и волокнистых материалов и с содержанием механических примесей в перемещаемой среде до 1 кг/м³.

Пылевые вентиляторы имеют более низкий КПД, чем вентиляторы общего назначения. Номенклатура серийных пылевых вентиляторов не велика: ЦП7-40, ЦПВ-46 и ЦП5-45.

В конструкциях корозионно-стойких вентиляторов, предназначенных для перемещения агрессивных смесей применяются материалы, стойкие к этим смесям (нержавеющая сталь, титановые сплавы, ви­нипласт, полипропилен), либо их проточные части напыляются антикоррозионными покрытиями.

Для перемещения взрывоопасных газовых смесей должны приме­няться вентиляторы, изготовленные из материалов, которые при трении или соударении подвижных частей с неподвижными исключали бы возможность появления искр.

В зависимости от уровня защиты от искрообразования искрозащищенные вентиляторы подразделяют на следующие: с повышенной за­щитой от искрообразования, в которых предусмотрены средства и ме­ры, затрудняющие возникновение искр только в режиме их нормальной работы; искробезопасные, в которых предусмотрены средства и меры защиты от искрообразования как при нормальной работе, так и при возможном кратковременном трении рабочего колеса о корпус венти­лятора.

В соответствии с техническими условиями они предназначены для перемещения некоторых газопаровоздущных взрывоопасных смесей, не вызывающих ускоренной коррозии материалов и покрытий проточной части вентиляторов, не содержащих взрывчатых веществ, взрывоопасной пыли, окислов железа, липких веществ и волокнистых материа­лов, запыленностью не более 100 мг/м³ и температурой не выше 80 ⁰С. Температура окружающей среды от -40 до +40 ⁰С.

В зависимости от применения различают два типа тягодутьевых вентиляторов: дымососы и дутьевые.

Дымососы применяют для отсасывания дымовых газов с темпера­турой до 200 ⁰С из топок пылеугольных котлоагрегатов. Так как га­зы содержат твердые частицы золы, вызывающие значительный износ деталей дымососа, лопатки рабочего колеса выполняют утолщенными, а внутреннюю поверхность обечайки корпуса покрывают броневыми листами. Ходовая часть дымососа имеет охлаждающий элемент в виде термомуфты или змеевика охлаждения масла в узле подшипников.

Применяют дымососы одно- и двухстороннего всасывания. Для ре­гулирования работы они оснащаются осевыми направляющими аппарата­ми. Обозначение типа дымососа; например ДН-15, буквы означают: Д-дымосос; Н-загнутые назад лопатки рабочего колеса; цифры озна­чают диаметр рабочего колеса в дециметрах.

Дутьевые вентиляторы предназначены для подачи воздуха в то­почные камеры котлоагрегатов тепловых электростанций или крупных промышленных котельных установок. Так же, как и дымососы дутьевые вентиляторы выполняют односторонними и двухсторонними. Они также оснащены осевыми направляющими аппаратами. Серийно изготавливают дутьевые вентиляторы номеров с 8 по 36. Вентиляторы горячего дутья типа ВГД и ГД предназначены для подачи первичного воздуха с температурой до 400 ⁰С. В обозначении типа дутьевых вентилятора, например ВДН-10, буквы означают: В-вентилятор; Д-дутьевой; Н-загнутые назад лопатки рабочего колеса.

Конструкция тягодутьевых нагнетателей не рассчитана на восприятие нагрузок от массы и теплового расширения подводящих и от­водящих участков сети, за и перед ним необходимо устанавливать компенсаторы. Вентиляторы ДН и ВДН предназначены для установки в помещении; возможна их эксплуатация вне помещения при темпера­туре не ниже -30 ⁰С, дутьевые вентиляторы допускается устанавливать только после аппаратов очистки.

Мельничные вентиляторы предназначены для пневматического транспортирования неагрессивной угольной пыли в системах пыле приготовления котлоагрегатов, работающих на пылевидном топливе; и для подачи пылевидного топлива в пыле угольные горелки.

Малогабаритные в ентиляторы с диаметрами рабочих колес менее 200 мм является встроенными вентиляторами. Привод таких вентиля­торов осуществляется обычно от малогабаритных высокоскоростных электродвигателей с частотой вращения до 20000 мин - 1; их подача составляет от 1 до 300 л/с, а полное давление от -200 до 7000 Па.

Судовые вентиляторы используют в системах вентиляции машин­но-котельных отделений, служебных и жилых помещений, а также для охлаждения приборов и механизмов.

Наиболее распространенными судовыми вентиляторами являются вентиляторы с радиальными лопатками рабочего колеса единой серии ДС.

Шахтные вентиляторы используют в вентиляционных системах шахт и рудников для обеспечения больших расходов и давлений.

В зависимости от полного давления создаваемого при номи­нальном режиме, в соответствии с ГОСТ 5976-73 вентиляторы подраз­деляют на вентиляторы низкого, среднего и высокого давления.

Вентиляторы низкого давления создают полное давление до 1000 Па. Допустимая окружная скорость рабочего колеса не превышает 50 м/с.

Вентиляторы среднего давления создают полное давление до 3000 Па. Максимальная окружная скорость рабочего колеса может достигать 80 м/с.

Вентиляторы высокого давления создают полное давление свыше 3000 Па.

Полное давление более 10000 Па могут создавать вентиляторы малой быстроходности с узкими рабочими колесами. Их окружная ско­рость может достигать 200 м/с.

По быстроходности вентиляторы делят на вентиляторы большой (ns > 60), средней (ns от 30 до 60) и малой (ns < 30) быст­роходности.

Вентиляторы большой быстроходности имеют широкие рабочие ко­леса с небольшим числом загнутых назад лопаток. Коэффициент дав­ления f < 0, 9. Максимальный КПД = 0, 9.

К вентиляторам средней быстроходности относятся как вентиля­торы с колесом барабанного типа с загнутыми вперед лопатками и большим диаметром входа, у которых коэффициенты давления близки к максимально возможным (3), а КПД достигает лишь 0, 73, так и вентиляторы имеющие рабочие колеса значительно меньшей ширины с загнутыми назад лопатками, небольшими коэффициентами давления (1) и КПД, достигающим 0, 87.

Вентиляторы малой быстроходности имеют небольшие диаметры входа, довольно узкие рабочие колеса, небольшую ширину и раскры­тие спирального корпуса. Лопатки колеса могут, быть загнуты вперед и назад. КПД этих вентиляторов не превышает 0, 8.

В зависимости от компоновки вентиляторы могут быть разделены на переносные, полустационарные и стационарные.

Переносные вентиляторы изготовляются с односторонним входом и имеют цельную конструкцию (ходовая часть, корпус, а иногда и электродвигатель монтируют на общей жесткой стойке). Простота монтажа и демонтажа таких вентиляторов является их преимуществом перед другими вентиляторами. К недостаткам следует отнести от­сутствие у них устройств для регулирования, что снижает их экс­плуатационные качества. Кроме того, для осмотра и ремонта рабочего колеса эти вентиляторы нужно отсоединить от сети.

Полустационарные в ентиляторы делают с одно- и двухсторонним всасыванием. Ходовая часть и электродвигатель монтируются на общей раме.

Стационарными выполняются крупные шахтные и рудничные венти­ляторы и дымососы ТЭЦ и наиболее крупные вентиляторы общего наз­начения.