Скорость вращения вентилятора и воздушный поток: как скорость влияет на воздушный поток, давление воздуха и мощность

В системах теплоотвода, вентиляции и кондиционирования воздуха регулирование скорости вращения является наиболее распространенным методом управления. При изменении скорости вращения вентилятора соответственно изменяются расход воздуха, статическое давление, потребляемая мощность и уровень шума. Многие знают, что «чем быстрее вращается вентилятор, тем сильнее воздушный поток», но часто полагаются на интуицию, пытаясь точно оценить, насколько сильнее становится воздушный поток или насколько увеличивается потребляемая мощность. На самом деле к вентиляторам применим один очень практичный принцип: закон подобия. Достаточно запомнить всего три числа — 1, 2 и 3.

I. Основные взаимосвязи: расход воздуха, статическое давление и мощность изменяются соответственно в первой, второй и третьей степенях

II. Почему именно степени 1, 2 и 3?

Это можно объяснить следующим образом: при увеличении скорости вращения лопасти прогоняют воздух с большей скоростью. Расход воздуха, по сути, пропорционален скорости его движения; следовательно, при удвоении скорости вращения расход воздуха также примерно удваивается.
Давление воздуха обусловлено кинетической энергией воздуха и увеличением статического давления. Кинетическая энергия зависит от квадрата скорости, поэтому давление воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения. Когда скорость вращения удваивается, статическое давление не удваивается, а увеличивается в четыре раза.
Мощность равна расходу воздуха, умноженному на статическое давление, и деленному на КПД. Поскольку расход воздуха увеличивается линейно (в первой степени), а статическое давление — квадратично (во второй степени), их произведение равно кубу (в третьей степени). Следовательно, мощность на валу увеличивается пропорционально кубу скорости вращения. Это также объясняет, почему энергопотребление и тепловыделение высокоскоростных вентиляторов быстро возрастают.

III. Фактическая рабочая точка: кривые вентилятора и сопротивление системы

IV. Мощность вала — это не то же самое, что входная электрическая мощность

Мощность, указанная в формуле, обычно обозначает мощность на валу, то есть фактическую механическую мощность, развиваемую лопастями вентилятора. Фактическая электрическая мощность, потребляемая из розетки, должна

также учитывать КПД двигателя и КПД привода:

Входная электрическая мощность = Мощность на валу ÷ (КПД двигателя × КПД привода)

КПД двигателя может снижаться на низких скоростях и при небольших нагрузках, поэтому потребляемая мощность не всегда изменяется строго пропорционально кубу скорости; однако общая тенденция остается очевидной: снижение скорости позволяет экономить энергию, тогда как увеличение скорости приводит к резкому росту энергопотребления. Для вентиляторов переменного тока использование частотно-регулируемого привода (ЧРП) для снижения частоты и скорости часто является более энергоэффективным, чем использование дефлекторов или дроссельных клапанов. Для вентиляторов постоянного тока управление скоростью с помощью ШИМ позволяет поддерживать хороший КПД на низких скоростях.

V. Уровень шума и срок службы

Увеличение скорости вращения не только приводит к росту энергопотребления, но и значительно повышает уровень шума. Шум вентилятора зависит от скорости вращения лопастей, образования вихрей и вибрации подшипников; на высоких скоростях рост шума зачастую оказывается более заметным, чем увеличение расхода воздуха. Разумное снижение скорости позволяет уменьшить уровень шума, снизить износ подшипников и продлить срок службы. Однако если скорость будет слишком низкой, а расход воздуха — недостаточным, температура оборудования повысится, что, в свою очередь, может негативно повлиять на его надежность.