Klimat pod kontrolą, część 1 - od urządzeń do szaf przemysłowych

Wentylatory to popularne urządzenia, które - w zależności od kierunku przepływu strumienia powietrza względem ich osi - można podzielić na: osiowe, promieniowe oraz diagonalne. W tych pierwszych, których cechą charakterystyczną są łopatki wirnika w kształcie śmigła, jest on zgodny. Wentylatory osiowe zazwyczaj umieszcza się w obudowie wraz z silnikiem elektrycznym zintegrowanym z piastą wirnika.

Taka kompaktowa konstrukcja, z otworami montażowymi na kołnierzu wentylatora, pozwala na jego instalację nawet w ograniczonych warunkach przestrzennych. Jej główną wadą są rozpórki, które łączą obudowę silnika z kołnierzem. Zapewniają one stabilność, ale jednocześnie stanowią przeszkodę dla przepływającego strumienia powietrza. W czasie pracy łopatki wirnika omiatają rozpórki, powodując w ich otoczeniu skoki ciśnienia. Jest to jedno z największych źródeł hałasu generowanego przez wentylatory osiowe. Dlatego kształt, liczba i sposób montażu rozpórek są dokładnie analizowane pod kątem ich wpływu na przepływ powietrza przez wentylator (patrz ramka).

WENTYLATORY PROMIENIOWE I DIAGONALNE

W wentylatorach promieniowych wlot powietrza następuje zgodnie z osią, a wylot prostopadle do niej. Ich wirnik przypomina koło wodne. Silnik zwykle znajduje się w obszarze zasysania, co do pewnego stopnia ogranicza natężenie przepływu powietrza. Dzięki temu jednak konstrukcja jest bardziej zwarta.

Wentylatory z przepływem mieszanym (diagonalne) przypominają wentylatory osiowe, mimo że ze względu na zasadę pracy są konstrukcją pośrednią między nimi a promieniowymi. Wlot powietrza następuje w nich osiowo, natomiast wylot diagonalnie - strumień gazu przemieszcza się częściowo osiowo, a częściowo promieniowo. W rezultacie wentylatory z przepływem mieszanym wytwarzają większe ciśnienie, przy tych samych rozmiarach oraz prędkości pracy, niż wentylatory osiowe, lecz mniejsze niż wentylatory promieniowe.

Wydajność wentylatora opisuje jego charakterystyka. Jest to krzywa, na której przedstawiane jest objętościowe natężenie przepływu tłoczonego gazu, w zależności od przyrostu ciśnienia, jakie wytwarza wentylator. Zazwyczaj udostępnia ją producent.

JAK WYBRAĆ WENTYLATOR?

Na jej podstawie porównuje się różne typy wentylatorów oraz ocenia ich wydajność w konkretnym zastosowaniu. W tym celu trzeba ją przeanalizować razem z krzywą spadku ciśnienia w urządzeniu w zależności od ilości przepływającego przez nie powietrza. Aby taki wykres wyznaczyć, określić należy występujące w nim opory przepływu. Służy do tego specjalne oprogramowanie. Można też zastosować wzory uproszczone.

Znając zastępczy opór przepływu danego urządzenia (R_sys), charakterystykę spadków ciśnienia (p_sys ) w zależności od objętościowego natężenia przepływu (V) wyznacza się według wzoru: p_sys = R_sys·V².

Krzywą tę następnie umieszcza się na wspólnym wykresie z charakterystyką wentylatora. Punkt ich przecięcia określa punkt pracy wentylatora. Opisuje on rzeczywistą wydajność wentylatora w tej instalacji, czyli ilość powietrza, jaką ten wentylator może przetłoczyć przez dane urządzenie. Czasem pojedynczy wentylator nie zapewnia niestety wystarczającego obiegu powietrza.

Jak zmniejszyć hałas wentylatorów osiowych?

Zwykle w wentylatorach osiowych montowane są rozpórki spiralnie zakrzywione. Im większa jest przerwa pomiędzy łopatkami a rozpórkami, tym mniejszy hałas. Istotna jest także liczba łopatek i rozpórek. Im mniej rozpórek, tym mniejszy hałas, zwłaszcza przy dużych prędkościach wirnika. Z kolei im więcej łopatek, tym większy strumień powietrza, ale równocześnie wtedy łopatki częściej omiatają rozpórki, co generuje większy hałas. Ważne jest też, by rozpórki znajdowały się po stronie wylotu powietrza z wentylatora. Ma to uzasadnienie w specyfice przepływu.

Strumień powietrza na wejściu wentylatora to strumień laminarny, zaś na wyjściu - turbulentny. W momencie, gdy na drodze strumienia laminarnego pojawia się przeszkoda, słychać uciążliwy gwizd. Z kolei kiedy strumień turbulentny napotyka przeszkodę, emitowane są dźwięki dla ludzi mniej dokuczliwe.

GDY JEDEN WENTYLATOR TO ZA MAŁO...

W obudowie montuje się wtedy kilka wentylatorów, w konfiguracji szeregowej albo równoległej. Gdy umieszcza się je obok siebie, tzn. równolegle (rys. 1a), objętościowe natężenie przepływu w systemie jest sumowane i rośnie wraz z liczbą wentylatorów. Układ szeregowy przedstawiono na rysunku 1b. Wraz z liczbą wentylatorów rośnie wytwarzane przez nie ciśnienie.

Wentylatory w konfiguracji równoległej sprawdzają się, gdy chłodzone urządzenie nagrzewa się szybko i silnie, w związku z czym wymaga dużego natężenia przepływu powietrza. Jeżeli jednak komponenty urządzenia stawiają duży opór dla przepływającego gazu, ze względu na możliwość uzyskania większego ciśnienia, warto zdecydować się na konfigurację szeregową.

Jeśli spełnione są oba warunki równocześnie, zalecane jest połączenie przeciwsobne, w którym wentylatory umieszcza się w obudowie naprzeciw siebie. Wentylacja jest wtedy skuteczniejsza, gdyż jeden wentylator zasysa powietrze do wnętrza obudowy, a drugi wypycha je na zewnątrz.

Jaka powinna być idealna ciecz robocza rurki cieplnej?

Ciecz robocza, która najpierw paruje, a następnie ulega skropleniu w ciepłowodzie, musi cechować się określonymi właściwościami. Przede wszystkim nie może ona wchodzić w reakcje chemiczne z materiałami, których użyto do budowy rurki, ani powodować ich korozji. Zakres jej temperatur roboczych musi być dobrany do warunków pracy.

Kolejne cechy to: stabilność termiczna, duże wartości ciepła przemiany fazowej i współczynnika przewodzenia ciepła, mała lepkość i duża wartość napięcia powierzchniowego. Powinna ona także dobrze zwilżać ścianki pojemnika, a ciśnienie jej par nie może być ani zbyt duże, ani zbyt małe, w całym zakresie temperatur pracy.

NAJCZĘSTSZE USTERKI WENTYLATORÓW

Problemy z wentylatorami trzeba szybko diagnozować i rozwiązywać. Inaczej, chociaż pobierają z sieci prąd, nie spełniają swojej funkcji, gdyż działają poniżej założonych parametrów pracy. To z kolei grozi przegrzaniem wentylowanego urządzenia.

Wiele nieprawidłowości sygnalizowanych jest przez nadmierny hałas. Jest on na przykład objawem zablokowania się wentylatora. W zależności od tego, czy niepożądane dźwięki stopniowo cichną po wyłączeniu silnika, czy ustają od razu, można wstępnie określić charakter przyczyny. W pierwszym przypadku spodziewać się można problemów z podzespołami mechanicznymi, zwykle z łożyskami. W drugim zaś mają one z reguły charakter elektryczny.

Jeżeli uda się ustalić jako źródło hałasu łożyska, a dźwięk przez nie wydawany można opisać jako przechodzący z dudnienia w pisk, jedną z prawdopodobnych przyczyn jest ich złe nasmarowanie. Nieodpowiedni może być rodzaj smaru albo jego ilość. Inne przyczyny to obluzowanie łożysk na wale albo ich niewłaściwe napięcie.

PRZYCZYNY WIBRACJI

Jeżeli łożyska generują uciążliwe dźwięki od momentu pierwszego uruchomienia wentylatora, może to oznaczać, że w czasie transportu lub przechowywania urządzenie to było narażone na wibracje. W wyniku drgań części tocznej w jednym miejscu dochodzi wtedy do odkształceń w formie nacięć na powierzchni bieżni. Najlepszym rozwiązaniem jest wymiana łożysk. Aby w przyszłości zapobiec takim uszkodzeniom, wentylator, warto uruchamiać chociaż raz dziennie.

Przyczyną drażniącego gwizdu może być z kolei uszczelnienie na wale, które wymaga nasmarowania. Trzeba też sprawdzić, czy się nie przesunęło. Kolejnym niepokojącym objawem są wibracje. Wśród ich przyczyn wymienia się najczęściej: niewyważenie wirnika, wygięcie wału, zużycie wirnika spowodowane kontaktem z materiałami ściernymi albo korozyjnymi, oblepienie łopatek wirnika smarem i pyłami, uszkodzenie wirnika. Większość z nich wymaga wymiany problematycznego elementu (wirnika, wału). Łopatki trzeba regularnie czyścić, a niewyważony wirnik - wyważyć. Występują też problemy charakterystyczne dla konkretnego typu wentylatora.

SPECYFIKA WENTYLATORÓW PROMIENIOWYCH I OSIOWYCH

Jeżeli w przypadku wentylatorów promieniowych wirnik pracuje zbyt głośno, prawdopodobnie uderza on w obudowę wentylatora albo jego stożek wlotowy. Przyczyn tego może być kilka. Na przykład wirnik może być niewłaściwie zamocowany na wale lub niewspółśrodkowo względem obudowy wentylatora lub stożka wlotowego. W każdym z tych przypadków należy skorygować ustawienie wirnika. Hałas może także być spowodowany uszkodzeniem stożka wlotowego albo wygięciem wału. Wtedy obie te części trzeba wymienić. Jeżeli z kolei obudowa wirnika ulegnie wybrzuszeniu, możliwe jest, że pracuje on z większą prędkością, niż dozwolona.

W przypadku wentylatorów osiowych nadmierny hałas wirnika oznaczać może m.in., że łopatki poluzowały się i uderzają o obudowę. Kolejne przyczyny to przesunięcie się silnika względem obudowy oraz niewystarczający odstęp między obudową a końcówkami łopatek. To pierwsze wymaga wyregulowania położenia silnika i dokręcenia jego mocowań, łopatki zaś powinno się przyciąć. Jeżeli te ostatnie uległy wygięciu z reguły stało się to w trakcie transportu, w wyniku kontaktu z ciałami obcymi w kanale, blokady wentylatora albo turbulencji powietrza na jego wlocie. Jeśli natomiast wirnik się rozpadł, jest możliwe, że pracował z większą prędkością niż dopuszczalna albo coś uderzyło w jego łopatki.