W świecie przemysłu efektywność to stale przewijający się temat, coraz częściej brany pod uwagę przy zamawianiu wentylatorów.
Efektywność i sprawność to pojęcia niezwykle ważne we współczesnej gospodarce. Właściwie nie robimy nic innego, tylko poprawiamy efektywność we wszystkich aspektach życia. Obsesyjnie interesujemy się zieloną energią, energooszczędnymi samochodami, optymalizacją systemu elektroenergetycznego i oczywiście artykułami gospodarstwa domowego z najwyższą klasą efektywności. W codziennych działaniach musimy stale mieć świadomość, ile zużywamy energii. Nie inaczej jest w zakładach przemysłowych: także tutaj kwestie efektywności i sprawności podnosi się przy każdej okazji, m.in. w coraz większym stopniu uwzględnia się je przy projektowaniu wentylacji mechanicznej i zamawianiu wentylatorów wyciągowych.
Wentylatory są wykorzystywane w dużych procesach do przemieszczania płynów z punktu A do punktu B (rys. 1). Ich zadaniem jest wytworzenie ciągu w instalacji technologicznej oraz sprężenie i przetłoczenie czynnika gazowego. Maszyny te potrzebują znacznych ilości energii, więc na pewno przydaje się wiedza o tym, jak kształtuje się sprawność tych maszyn.
Sprawność ma znaczenie
Chociaż ciągle mówi się o zwiększaniu sprawności, często umyka przy tym kwestia obliczania i definiowania tego parametru. Nierzadko w specyfikacji projektowej podkreśla się, że oferowane wentylatory mają się cechować wysoką sprawnością – i ocenia się wyroby różnych producentów bez niezbędnej wiedzy o sprawności.
Składając ofertę, producenci sprzętu stoją przed dylematem: który parametr sprawności należy podać inwestorom? Często zamówienie otrzyma ten, kto przedstawi najwyższe parametry sprawności, natomiast zupełnie umyka przy tym kwestia, jak te parametry obliczono.
Obecnie przy projektowaniu instalacji z wentylatorami wyciągowymi stosuje się wiele parametrów informujących o ich sprawności. Na przykład przy doborze i wymiarowaniu wentylatora odśrodkowego lub promieniowego uwzględnia się określoną charakterystykę przepływu, wymagającą zadanej mocy. W danym punkcie pracy dla tej samej mocy użytecznej sprawność można wyrazić w różnych postaciach.
Aby się przekonać, czy podane parametry znamionowe są odpowiednie w konkretnym projekcie, trzeba więc wziąć pod uwagę więcej danych oraz uściślić i ocenić te parametry. W artykule przedstawiono różne parametry znamionowe i wskazano pewne wytyczne do oceny sprawności wentylatorów.
Definicja sprawności
Całkowita sprawność wentylatora to stosunek teoretycznej mocy wentylatora (ang. theoretical air horsepower, AHP) do mocy użytecznej (ang. brake-horsepower, BHP) na wale wentylatora. Całkowitą sprawność wentylatora opisuje następujące równanie:
ηt = (AHP/BHP) * 100
Straty, czyli różnica między wartością teoretyczną a użyteczną, wynikają z tarcia powierzchniowego, burzliwości, nieszczelności i tarcia mechanicznego. Całkowitą sprawność można więc także wyrazić jako punkt szczytowy sprawności hydraulicznej, objętościowej i mechanicznej.
ηt = ηh * ηv * ηm
ηh – sprawność hydrauliczna
ηv – sprawność objętościowa
ηm – sprawność mechaniczna
Sprawność hydrauliczna odzwierciedla wpływ niedoskonałości drogi przepływu na pracę wentylatora. Sprawność objętościowa uwzględnia straty na skutek wycieków przez uszczelnienia wału i recyrkulacji wokół stożków wlotowych i obudowy wentylatora. Sprawność mechaniczna odnosi się do strat mechanicznych w łożyskach, łącznikach i uszczelnieniach układu wentylatora.
Całkowitą sprawność można wykorzystać do obliczenia innej ważnej zmiennej: sprawności statycznej definiowanej jako iloczyn stosunku ciśnienia statycznego wentylatora (ang. fan static pressure, FSP) do jego ciśnienia całkowitego (ang. fan total pressure, FTP) i całkowitej sprawności wentylatora.
ηs = ηt (FSP/FTP)
FSP – ciśnienie statyczne wentylatora
FTP – ciśnienie całkowite wentylatora
Warto podkreślić różnicę między tymi dwiema wielkościami. Obliczona całkowita sprawność wentylatora ma większą wartość niż sprawność statyczna. Paradoksalnie, jeśli obliczona sprawność ma większą wartość, nie oznacza to, że jest potrzebny silnik o mniejszej mocy. Wymagana moc silnika dla danego wentylatora się nie zmienia.
Wartości sprawności w rzeczywistości odnoszą się do dynamiki płynów. Wyższa całkowita sprawność jest funkcją ciśnienia całkowitego, zawierającego składową statyczną i dynamiczną, natomiast sprawność statyczna uwzględnia tylko składową statyczną.
Wzór na sprawność
Moc mechaniczną wymaganą do napędzania wentylatorów traktuje się jako obciążenie „pasożytnicze”. Z tego względu zmniejszenie poboru energii przez wentylatory zaowocuje bezpośrednimi korzyściami finansowymi dla zakładów. Dzięki wiedzy w zakresie mocy i sprawności inżynierowie są w stanie przygotowywać adekwatne specyfikacje, a producenci optymalizują swoje konstrukcje wentylatorów.
Produkcja i zużycie energii przez maszyny przepływowe opierają się na podstawowej zależności termodynamiki:
w = -∫ v dP
w – praca
v – objętość właściwa
dP – zmiana ciśnienia
Teoretyczną moc wentylatora dla jednowymiarowego przepływu uwarstwionego można otrzymać z klasycznego równania energetycznego, którego uproszczoną wersję wyraża następujący wzór:
AHP = m. ws = ρQghS
Q – objętościowe natężenie przepływu, m3/s
ρ – gęstość, g/m3
hs – wysokość podnoszenia, m
Moc pobieraną (BHP) w celu napędzania wentylatora opisuje następująca zależność:
BHP = (Q * SP * Kp)/ (CONST * η)
η – sprawność, %
Q – objętościowe natężenie przepływu, m3/min
SP – ciśnienie statyczne, Pa
Kp – współczynnik ściśliwości
CONST – stała do przekształceń, 6362
BHP – moc pobierana, W
Wzór ten doskonale znają inżynierowie zajmujący się wentylatorami i korzystają z niego do oceny wentylatorów. Równanie to może także posłużyć do obliczenia energii hydrodynamicznej przy przepływie w przewodzie. Po przekształceniu równania otrzymujemy wzór na sprawność:
η = (Q * SP * Kp)/ (CONST * BHP)
To praktyczne wyrażenie wskazuje, że sprawność wentylatora to funkcja wydatku, ciśnienia w układzie oraz mocy na wale wentylatora. Innym czynnikiem odgrywającym rolę w tej zależności jest ściśliwość (Kp) płynu. Współczynnik ściśliwości wpływa na względną zmianę objętości na skutek zmiany ciśnienia w obudowie wentylatora. W przypadku mechanicznych wentylatorów wyciągowych jego wartość wynosi zwykle od 0,90 do 0,99.
Przedziały sprawności
Wymagania dotyczące sprawności i mocy wentylatora wyciągowego zależą od rodzaju i wykonania łopatek w konkretnym zastosowaniu (rys. 2). Te dwie zmienne łączy odwrotna zależność. Na przykład wentylator o małym zapotrzebowaniu na moc cechuje się wysoką obliczoną sprawnością.
Pod względem kształtu łopatek wyróżnia się trzy główne grupy o różnej sprawności i mocy:
1. Łopatki promieniowe
- Promieniowe proste (ang. radial blade, RB, typ T) – o najniższej sprawności (6572%), a zatem o największym zapotrzebowaniu na moc.
- Promieniowe proste pochylone do tyłu (ang. radial tip, RT, typ S) – o niskiej sprawności (7278%), a zatem o dużym zapotrzebowaniu na moc.
2. Łopatki zgięte do przodu
- Zgięte do przodu (ang. forward curved, FC, typ F) – o niższej sprawności (7276%), a zatem o wyższym zapotrzebowaniu na moc.
3. Łopatki nachylone do tyłu (ang. backward inclined, BI, typ B)
- Nachylone do tyłu płaskie o pojedynczej grubości (ang. backward inclined flat, BF) – o wysokiej sprawności (7981%), a zatem o małym zapotrzebowaniu na moc.
- Zgięte do tyłu o pojedynczej grubości (ang. backward curved, BC) – o wyższej sprawności (8082%), a zatem o mniejszym zapotrzebowaniu na moc.
- Płatowe o podwójnej grubości (ang. airfoil, AF) – o najwyższej sprawności (8388%), a zatem o najniższym zapotrzebowaniu na moc.
Zmiana sprawności
Sprawność mechaniczna wentylatora wyciągowego zależy od przyjętej do obliczeń wartości ciśnienia w układzie. Stosuje się najróżniejsze wymagania dotyczące ciśnienia, co powoduje, że można wyliczyć różne wartości sprawności. Podstawowe rodzaje przedstawiono poniżej:
- Przyrost ciśnienia statycznego: różnica między ciśnieniem statycznym na wylocie i wlocie wentylatora: SPR = SP2 – SP1 (SPR – przyrost ciśnienia statycznego; SP1/SP2 – ciśnienie statyczne na wlocie/wylocie wentylatora)
- Ciśnienie całkowite wentylatora: Różnica między ciśnieniem całkowitym na wylocie i na wlocie wentylatora: FTP = TP2 – TP1 (FTP – ciśnienie całkowite wentylatora; TP1/TP1 – ciśnienie całkowite wentylatora na wlocie/wylocie wentylatora)
- Ciśnienie statyczne wentylatora: Oznacza różnicę między ciśnieniem całkowitym wentylatora a ciśnieniem dynamicznym na jego wylocie: FSP = FTP – VP2 (FSP – ciśnienie statyczne wentylatora; VP2 – ciśnienie dynamiczne na wylocie wentylatora)
Z każdym z tych rodzajów ciśnienia wiąże się odpowiedni parametr sprawności:
- Sprawność statyczna (ηSPR) jest obliczana na podstawie przyrostu ciśnienia statycznego. W celu porównania z innymi rodzajami sprawności można ją matematycznie przedstawić w następującej postaci: ηS < ηSPR < ηt
- Całkowita sprawność wentylatora (ηt) jest obliczana na podstawie ciśnienia całkowitego wentylatora i pozostaje w następującej zależności od sprawności statycznej i sprawności statycznej wentylatora: ηt > ηSPR > ηS
- Sprawność statyczna wentylatora (ηS) jest obliczana na podstawie ciśnienia statycznego wentylatora: ηS < ηSPR < ηt
Międzynarodowe stowarzyszenie producentów wyposażenia instalacji pneumatycznych AMCA przygotowuje wytyczne na temat charakterystyki znamionowej maszyn, tak aby inżynierowie, producenci i użytkownicy mogli posługiwać się tymi samymi parametrami. Mimo to każdy projekt jest w jakimś stopniu wyjątkowy, a jego cele zależą od interpretacji zainteresowanych stron.
Wpływ dyfuzora
Przy obliczaniu sprawności trzeba też uwzględnić odzyskiwanie ciśnienia statycznego na skutek obecności dyfuzora na wylocie wentylatora.
Ciśnienie po przejściu przez osłonę = ciśnienie statyczne + (VP1 – VP2) * korekta sprawności
Korekta sprawności może wynosić od 60% do 80%. W niektórych zastosowaniach wentylatorów ma to ogromny wpływ na obliczoną sprawność i pobieraną moc. Osłona skutecznie zmniejsza wymagane ciśnienie robocze wentylatora, a tym samym przyczynia się do zmniejszenia potrzebnej mocy na jego wale. Aby uniknąć zamieszania i umożliwić uczciwe porównywanie wentylatorów, w specyfikacjach technicznych należałoby dokładnie informować, czy przy ocenie sprawności ma być uwzględniana osłona.
Wnioski
Precyzyjne używanie pojęć mocy i sprawności oraz ich umiejętna interpretacja przy ocenie wentylatorów wyciągowych bez wątpienia ułatwią pracę osób przygotowujących wymagania, co zaowocuje lepszymi opracowaniami w ofertach. Jeśli oceniając wentylatory wyciągowe będziemy opierać się na wyjętym z kontekstu parametrze sprawności, możemy być niemile zaskoczeni.
Jak zauważono w artykule, wyższa sprawność niekoniecznie oznacza mniejsze zapotrzebowanie na moc. To jednak klienci płacą rachunki za energię, więc muszą ponosić koszty rzeczywistej energii zużywanej do napędzania swoich wentylatorów. W efekcie to nie sprawność, ale ilość energii doprowadzanej do wentylatora, bywa lepszą podstawą do oceny.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
UR
Autor: Nurul „Moni” Talukder
