Fläktar för kanalventilationssystem
Denna modul tittar på centrifugal- och axialfläktar som används för kanalventilationssystem och beaktar utvalda aspekter, inklusive deras egenskaper och driftsattribut.
De två vanliga fläkttyperna som används i byggnadsinstallationer för kanalsystem kallas generellt centrifugalfläktar och axialfläktar – namnet kommer från den definierande riktningen för luftflödet genom fläkten. Dessa två typer är själva uppdelade i ett antal undertyper som har utvecklats för att ge specifika volymflödes-/tryckegenskaper, såväl som andra driftsegenskaper (inklusive storlek, buller, vibrationer, rengörbarhet, underhållbarhet och robusthet).
Tabell 1: Publicerade data för maximal fläkteffektivitet i USA och Europa för fläktar >600 mm i diameter
Några av de mer frekvent förekommande fläkttyperna som används i VVS listas i tabell 1, tillsammans med indikativa toppverkningsgrader som har samlats in1 från data publicerade av en rad amerikanska och europeiska tillverkare. Utöver dessa har "proppfläkten" (som faktiskt är en variant av centrifugalfläkten) sett ökande popularitet de senaste åren.
Figur 1: Generiska fläktkurvor. Verkliga fläktar kan skilja sig kraftigt från dessa förenklade kurvor.
Karakteristiska fläktkurvor visas i figur 1. Dessa är överdrivna, idealiserade kurvor, och verkliga fläktar kan mycket väl skilja sig från dessa; de uppvisar dock sannolikt liknande egenskaper. Detta inkluderar de områden med instabilitet som beror på vingslag, där fläkten kan växla mellan två möjliga flödeshastigheter vid samma tryck eller som en följd av att fläkten stannar (se Stopp av luftflödeslåda). Tillverkare bör också identifiera föredragna "säkra" arbetsområden i sin litteratur.
Centrifugalfläktar
Med centrifugalfläktar kommer luften in i pumphjulet längs dess axel och släpps sedan ut radiellt från pumphjulet med centrifugalrörelsen. Dessa fläktar kan generera både höga tryck och höga flödeshastigheter. Majoriteten av traditionella centrifugalfläktar är inneslutna i ett spiralformat hölje (som i figur 2) som styr den rörliga luften och effektivt omvandlar den kinetiska energin till statiskt tryck. För att flytta mer luft kan fläkten utformas med ett pumphjul med "dubbel bredd och dubbelt inlopp", vilket gör att luft kan komma in på båda sidor av höljet.
Figur 2: Centrifugalfläkt i spiralhölje, med bakåtlutande pumphjul
Det finns ett antal olika former av blad som kan utgöra impellern, där huvudtyperna är framåtböjda och bakåtböjda – bladets form avgör dess prestanda, potentiella effektivitet och formen på den karakteristiska fläktkurvan. Andra faktorer som påverkar fläktens effektivitet är impellerhjulets bredd, det fria utrymmet mellan inloppskonen och det roterande impellern, och den area som används för att släppa ut luften från fläkten (det så kallade "blåsningsområdet").
Denna typ av fläkt har traditionellt drivits av en motor med rem- och remskiva. Men med förbättringen av elektronisk hastighetsreglering och den ökade tillgängligheten av elektroniskt kommuterade ("EC" eller borstlösa) motorer används direktdrivningar allt oftare. Detta eliminerar inte bara ineffektiviteten som är inneboende i en remdrift (som kan vara allt från 2 % till mer än 10 %, beroende på underhåll2) utan kommer sannolikt också att minska vibrationer, minska underhåll (färre lager och rengöringsbehov) och göra enheten mer kompakt.
Bakåtböjda centrifugalfläktar
Bakåtböjda (eller "lutande") fläktar kännetecknas av blad som lutar bort från rotationsriktningen. De kan nå verkningsgrader på upp till 90 % när de använder vingformade blad, som visas i figur 3, eller med släta blad formade i tre dimensioner, och något mindre när de använder släta böjda blad, och ännu mindre när de använder enkla platta, bakåtlutande blad. Luften lämnar pumphjulets spetsar med relativt låg hastighet, så friktionsförlusterna i höljet är låga och det luftgenererade bullret är också lågt. De kan stanna i extremerna av driftskurvan. Relativt bredare pumphjul ger störst verkningsgrad och kan lätt använda de mer subtila vingformade profilerade bladen. Smala pumphjul visar liten nytta av att använda vingformade blad, så de tenderar att använda platta blad. Bakåtböjda fläktar är särskilt kända för sin förmåga att producera höga tryck i kombination med lågt ljud, och har en icke-överbelastande effektegenskap – detta innebär att när motståndet minskar i ett system och flödeshastigheten ökar kommer effekten som dras av elmotorn att minska. Konstruktionen av bakåtböjda fläktar är sannolikt mer robust och något tyngre än den mindre effektiva framåtböjda fläkten. Den relativt låga lufthastigheten över bladen kan möjliggöra ansamling av föroreningar (såsom damm och fett).
Figur 3: Illustration av centrifugalfläkthjul
Framåtböjda centrifugalfläktar
Framåtböjda fläktar kännetecknas av ett stort antal framåtböjda blad. Eftersom de vanligtvis producerar lägre tryck är de mindre, lättare och billigare än motsvarande motordrivna bakåtböjda fläktar. Som visas i figur 3 och figur 4 kommer denna typ av fläkthjul att inkludera över 20 blad som kan vara så enkla som att formas av en enda metallplåt. Förbättrad effektivitet uppnås i större storlekar med individuellt formade blad. Luften lämnar bladspetsarna med en hög tangentiell hastighet, och denna kinetiska energi måste omvandlas till statiskt tryck i höljet – detta försämrar effektiviteten. De används vanligtvis för låga till medelstora luftvolymer vid lågt tryck (normalt <1,5 kPa) och har en relativt låg effektivitet på under 70 %. Scrollhöljet är särskilt viktigt för att uppnå bästa effektivitet, eftersom luften lämnar bladspetsen med hög hastighet och används för att effektivt omvandla den kinetiska energin till statiskt tryck. De körs med låga rotationshastigheter och därför tenderar mekaniskt genererade ljudnivåer att vara lägre än bakåtböjda fläktar med högre hastighet. Fläkten har en överbelastningseffektkaraktäristik när den arbetar mot låga systemmotstånd.
Figur 4: Framåtböjd radialfläkt med integrerad motor
Dessa fläktar är inte lämpliga där till exempel luften är kraftigt förorenad med damm eller innehåller medföljande fettdroppar.
Figur 5: Exempel på direktdriven kammarfläkt med bakåtböjda skovlar
Radiella centrifugalfläktar med blad
Radialfläktar med blad har fördelen att de kan flytta förorenade luftpartiklar vid höga tryck (i storleksordningen 10 kPa), men när de körs vid höga hastigheter är de mycket bullriga och ineffektiva (<60 %) och bör därför inte användas för generella VVS-system. De lider också av en överbelastningseffekt – när systemmotståndet minskar (kanske genom att volymkontrollspjällen öppnas) kommer motoreffekten att öka och, beroende på motorstorlek, kan de eventuellt "överbelastas".
Pluggfläktar
Istället för att monteras i ett spiralhölje kan dessa specialdesignade centrifugalhjul användas direkt i luftbehandlingsaggregatets hölje (eller i vilken kanal eller plenum som helst), och deras initiala kostnad är sannolikt lägre än för inkapslade centrifugalfläktar. Kända som "plenum", "propp" eller helt enkelt "icke-inkapslade" centrifugalfläktar, kan dessa ge vissa utrymmesfördelar men till priset av förlorad driftseffektivitet (där den bästa effektiviteten liknar den för inkapslade framåtböjda centrifugalfläktar). Fläktarna drar in luft genom inloppskonen (på samma sätt som en inkapslad fläkt) men släpper sedan ut luften radiellt runt hela 360° yttre omkrets av hjulet. De kan ge stor flexibilitet för utloppsanslutningar (från plenum), vilket innebär att det kan finnas mindre behov av intilliggande böjar eller skarpa övergångar i kanalsystemet som i sig skulle öka systemets tryckfall (och därmed ytterligare fläkteffekt). Den totala systemeffektiviteten kan förbättras genom att använda klockformade mynningsingångar till kanalerna som lämnar plenum. En av fördelarna med kammarfläkten är dess förbättrade akustiska prestanda, till stor del beroende på ljudabsorptionen i kammaren och avsaknaden av direkta siktvägar från pumphjulet in i kanalsystemets mynning. Verkningsgraden beror mycket på fläktens placering i kammaren och fläktens förhållande till dess utlopp – kammaren används för att omvandla den kinetiska energin i luften och därmed öka det statiska trycket. Väsentligt olika prestanda och olika driftsstabilitet beror på pumphjulstypen – blandflödeshjul (som ger en kombination av radiellt och axiellt flöde) har använts för att övervinna flödesproblem som uppstår på grund av det starka radiella luftflödesmönstret som skapas med enkla centrifugalhjul.
För mindre enheter kompletteras ofta deras kompakta design genom användning av lättstyrda EC-motorer.
Axialfläktar
I axialfläktar passerar luften genom fläkten i linje med rotationsaxeln (som visas i den enkla rörformade axialfläkten i figur 6) – trycksättningen produceras genom aerodynamisk lyftkraft (liknande en flygplansvinge). Dessa kan vara jämförelsevis kompakta, billiga och lätta, särskilt lämpade för att flytta luft mot relativt låga tryck, så de används ofta i frånluftssystem där tryckfallen är lägre än i tillförselsystem – tillförseln inkluderar normalt tryckfallet för alla luftkonditioneringskomponenter i luftbehandlingsenheten. När luften lämnar en enkel axialfläkt kommer den att virvla på grund av rotationen som luften utsätts för när den passerar genom pumphjulet – fläktens prestanda kan förbättras avsevärt med nedströms styrskenor för att återvinna virveln, som i den lamellaxialfläkten som visas i figur 7. Effektiviteten hos en axialfläkt påverkas av bladets form, avståndet mellan bladets spets och det omgivande höljet och virvelåterhämtningen. Bladets lutning kan ändras för att effektivt variera fläktens effekt. Genom att reversera rotationen på axialfläktar kan även luftflödet reverseras – även om fläkten kommer att vara konstruerad för att arbeta i huvudriktningen.
Figur 6: En rörformad axialfläkt
Den karakteristiska kurvan för axialfläktar har ett stallområde som kan göra dem olämpliga för system med ett brett varierande utbud av driftsförhållanden, även om de har fördelen av en icke-överbelastande effektkarakteristik.
Figur 7: En axialfläkt med lameller
Lamellfläktar med axialprofil kan vara lika effektiva som bakåtböjda centrifugalfläktar och kan producera höga flöden vid rimliga tryck (vanligtvis runt 2 kPa), även om de sannolikt skapar mer buller.
Blandflödesfläkten är en utveckling av axialfläkten och har, som visas i figur 8, ett koniskt pumphjul där luft dras radiellt genom de expanderande kanalerna och sedan passerar axiellt genom de rätande styrskenorna. Den kombinerade verkan kan producera ett tryck som är mycket högre än vad som är möjligt med andra axialfläktar. Verkningsgrad och ljudnivåer kan likna dem hos en bakåtkurvad centrifugalfläkt.
Figur 8: Inline-fläkt med blandat flöde
Installationen av fläkten
Ansträngningarna att tillhandahålla en effektiv fläktlösning kan allvarligt undergrävas av förhållandet mellan fläkten och de lokala kanalvägarna för luften.
Publiceringstid: 7 januari 2022