Wiele lat temu, kiedy przekładnie pasowe ustępowały napędowi bezpośredniemu wydawało się, że przemiennik częstotliwości popularnie zwany falownikiem pełniący rolę przekładni jest spełnieniem wszystkich marzeń instalatora i inwestora. Dzięki niemu możliwa była korekta punktu pracy wentylatora bez konieczności mechanicznej zmiany (wymiany kółek pasowych). Falownik dawał możliwość prostej implementacji dwóch a nawet więcej biegów wentylatora, regulację na obiekcie, brak konieczności wymiany okresowej pasków napędowych i wreszcie zabezpieczenie prądowe silnika. Tak właśnie do świata wentylacji weszły szeroko dziś stosowane zespoły wentylatorowe z silnikami AC czyli prądu zmiennego i o napędzie bezpośrednim. A co działo się dalej?
Dla kogo jest ten wpis? Dla tych, którzy chcieliby usystematyzować wiedzę ogólną z zakresu doboru zespołów wentylatorowych.
Należy zaznaczyć, że szeroko rozumiane pojęcie „wentylator” w zakresie urządzeń wentylacji powinno brzmieć „zespół wentylatorowy”. Na tenże zespół wentylatorowy składają się:
- Wirnik
- Silnik
- Połączenie obydwu powyższych elementów za pomocą np. przekładni pasowej, wału napędowego lub bezpośrednie połączenie
Większość osób kojarzy kolejne zmiany w wentylatorach z „energooszczędnością”. I częściowo jest to prawda. Świat na skutek działań związanych z szeroko rozumianą oszczędnością energii elektrycznej poszedł w kierunku klasyfikacji silników elektrycznych i podniesienia wymaganych klas sprawności silników oraz zespołów wentylatorowych. Przy czym należy pamiętać, że inne wymogi dotyczą silników jako urządzeń, inne natomiast zespołów wentylatorowych jako elementu instalacji wentylacji.
Zacznijmy od wirników.
Choć niewiele się o tym mówi, obecnie stosowane wirniki podlegały w przeszłości wielu modyfikacjom głównie mechanicznym. Łopatki zagięte do przodu, do tyłu, ustawienie promieniowo, osiowe, promieniowo-osiowe, postrzępione łopatki jedne z najważniejszych cech wentylatorów. Dziś jednak mało kto o nich mówi. Co więcej pomimo ogromnego wpływu na pracę zespołu wentylatorowego projekty rzadko opisują właśnie cechy wirników. Ten wpis nie będzie też wyczerpywać wiedzy na ten temat. Ograniczymy się do podania głównych typów:
- Promieniowo-osiowe: Obecnie najczęściej stosowane w typowych centralach wentylacyjnych. Dają dobry zakres ciśnienia statycznego w średnim zakresie.
- Osiowe: Obecnie najczęściej stosowane w chłodzeniu urządzeń (np. skraplaczy). Dają niski zakres ciśnienia statycznego i stosunkowo wysoki wydatek. Są jednocześnie proste w budowie, lekkie i relatywnie tanie.
- Promieniowe w obudowie z łopatkami zagiętymi do przodu i do tyłu. Choć są obecnie rzadko stosowane, to mogą dać stosunkowo wysoki zakres ciśnienia statycznego
Przechodząc do silników
Możemy wyróżnić następujące najważniejsze typy silników elektrycznych stosowanych w zespołach wentylatorowych:
- silniki AC – Silnik prądu przemiennego z tzw. wirnikiem klatkowym. Obecnie najszerzej stosowany w wentylatorach central wentylacyjnych. Większość z nich może być stosowana z przemiennikami częstotliwości dając możliwość regulacji. Są produkowane w klasie sprawności IE1 do IE3. Najczęściej IE2. Ich moce sięgają w typowych zastosowaniach w zakresie wentylacji kilkudziesięciu kW.
- silniki PM – silnik prądu przemiennego wykorzystujący magnesy trwałe zagłębione w wirniku lub przymocowane do powierzchni wirnika. Stosowane obecnie raczej rzadko. Większość z nich musi być stosowana z przemiennikami częstotliwości, ze względu na inną niż sieciowa częstotliwość nominalną. Są produkowane w klasie sprawności do IE4.
- silniki EC – silniki prądu stałego (na marginesie: zasilane najczęściej prądem przemiennym). Są to silniki z najczęściej wbudowanym komutatorem (w pewnym sensie komutator funkcjonalnie odpowiada falownikowi, choć jest to inne urządzenie), który to odpowiada za sterowanie obrotami wentylatora. Wartość zadaną określa się w procentach maksymalnego wysterowania lub często w zadanym napięciu 0..10V. Są produkowane najczęściej w klasie sprawności IE4. Ich wadą w zakresie zastosowań do wentylacji jest stosunkowo mała moc.
Tu należy wyjaśnić klasy sprawności silników elektrycznych wspomniane powyżej. Norma IEC 60034-2-1 określa cztery klasy sprawności silników:
IE1 – (standard) silniki standardowe
IE2 – (high efficiency) silniki o podwyższonej sprawności
IE3 – (premium) wysoki poziom sprawności
IE4 – (super premium) najwyższy poziom sprawności
Należy tu wspomnieć, że klasa sprawności dotyczy pracy w punkcie nominalnym. W Polsce oznacza to zasilanie przy 50 Hz. Przy wysterowaniu do innego punktu może się zdarzyć, że zwłaszcza silnik AC o teoretycznie wyższej sprawności będzie miał sprawność niższą 🙂 Wada ta mniej ujawnia się w silnikach EC, gdyż mają one znacznie mniejsze różnice sprawności w różnych punktach pracy.
Połączenie silnika i wirnika czyli napęd
Skoro już wiemy jak dzielą się wirniki oraz silniki przyjrzyjmy się ich połączeniu. Najważniejsze spośród nich to:
- Przekładnia pasowa (belt drive) – najczęściej stosowane dla wentylatorów o osi poprzecznej do kierunku przepływu powietrza. Dzięki ich zastosowaniu można zamontować silnik przed wentylatorem i szerokość zestawu się zmniejsza, a także pozwala na umieszczenie zespołu na podstawie co czyni go bardziej kompaktowym i modułowym. Powoduje też niestety straty, ponieważ sprawność przekładni jest zawsze mniejsza niż 100%. O pasek należy regularnie dbać sprawdzając jego stan i wymieniając w razie potrzeby.
- Napęd bezpośredni (direct drive) – stosowany najczęściej (choć nie tylko) dla wentylatorów promieniowo-osiowych, jako że oś wentylatora jest w linii z przepływającym powietrzem. W takim układzie wirnik wentylatora mocowany jest do wału silnika napędowego. Najczęściej poprzez tuleje typu „taper lock”.
- Napęd bezpośredni, zintegrowany – stosowany raczej dla mniejszych wentylatorów
- Plug fan – to właściwie nie połączenie, ale konstrukcja całości zespołu, która czyni, że wentylator jest modułem gotowym do montażu w centrali wentylacyjnej lub kanale. Moduł taki ma obudowę szkieletową, zabudowaną płytę montażową i wlot/wylot. Większość typów połączeń może być zastosowana jako plug-fan.
No to które są najlepsze?
Jak w większości dziedzin, nie istnieje pojęcie „najlepszy wentylator”. Zawsze dobieramy do do potrzeb. Natomiast istnieją pewne dedykowane przeznaczenia:
- Dla małych ciśnień rzędu 100 Pa najlepiej nadadzą się wentylatory osiowe z napędem zintegrowanym. Takie zespoły równie często wyposażane są w silniki EC jak i AC.
- Dla dużych ciśnień rzędu 2000 Pa z kolei dobrym wyborem będzie zastosowanie wentylatora promieniowego w obudowie z napędem na pasie lub bezpośrednim.
- Dla średnich ciśnień rzędu 600 – 1600 Pa najlepiej sprawdzi się wentylator promieniowo-osiowy z napędem bezpośrednim.
- Dla mniejszych wydatków i ciśnień rzędu 600-1200 Pa idealnie może sprawdzić się wentylator z napędem bezpośrednim i silnikiem EC.
- Rodzaj zabudowy z kolei jest najczęściej podyktowany konkretną aplikacją.
Oczywiście to tylko ogólne wytyczne, najbardziej optymalne rozwiązanie kierowanie konkretnymi wytycznymi i potrzebami powinno być każdorazowo opracowane.
Literatura:
- https://www.utrzymanieruchu.pl/silniki-z-magnesami-trwalymi-zasada-dzialania-oraz-wlasciwosci/
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_pr%C4%85du_sta%C5%82ego
- https://ebmpapst.com.au/media/content/publications_downloads/ec_upgrades/ebm-papst_EC_Plug_Fans_in_AHU_Applications_Best_Practice_Guide_2018-01_SECURED.pdf
- http://www.caryaire.com/media/images/solutions_beyond_plug_fans_may_2018.pdf