Азбука горения

Вентилятор (Вентиляторные горелки)

Вентилятор - это устройство, позволяющее подавать воздух для поддержания горения в необходимом для этого процесса количестве с напором, достаточным для преодоления аэродинамического сопротивления тепло­генератора, головки горелки и воздуховодов.

В зависимости от направления потока воздуха используются вентиляторы следующих типов:

• центробежные:
• осевые;
• тангенциальные.

В центробежных вентиляторах воздух входит параллельно направлению оси вращения и выходит по касательной к крыльчатке вентилятора.

В осевых вентиляторах направление воздуха параллельно оси вращения лопастей вентилятора.

В тангенциальных вентиляторах воздух входит и выходит по касательной к крыльчатке вентилятора.

Вентиляторы, встроенные в моноблочные горелки или установленные отдельно в блочных горелках, как правило, центробежного типа (рис. 37).

Рисунок 37. Вентилятор блочной горелки

Центробежные вентиляторы состоят из улиткообразного корпуса, внутри которого помещено насаженное на вал рабочее колесо. Вал может одновременно являться валом приводного электродвигателя или сообщаться с двигателем посредством соединительной муфты или ременной передачи. Рабочее колесо, установленное внутри корпуса вентилятора, может иметь различную форму лопастей, а именно:

• рабочее колесо с крыловидными лопастями;
• рабочее колесо с реверсивными лопастями;
• рабочее колесо с радиальными лопастями;
• рабочее колесо с выпуклыми лопастями.

На рис. 38 показан график зависимости и потребляемой мощности от производительности для разных видов вентиляторов.

Рисунок 38. Зависимость потребляемой мощности и производительности для вентиляторов разных типов

Технические характеристики вентиляторов, также как и насосов, описываются

характеристической кривой. Характеристи­ческая кривая вентилятора представляет собой график в декартовых координатах, где по оси Y отложен напор, а по оси X отложена объёмная производительность (рис. 38).

Характеристические кривые могут дополняться другими графиками, например кривой коэффициента полезного действия и мощности, потребляемой электродвигателем (рис. 39).

Рисунок 39. Типичный график производительности центробежного вентилятора

Для каждого вентилятора существует множество характеристических кривых для разных скоростей вращения, как показано на рис. 40.

Рисунок 40. График производительности венти­лятора для разных скоростей вращения двигателя

Когда вентилятор работает в системе воздухоподачи, которая имеет некоторое аэродинамическое сопротивление, то полный развиваемый напор вентилятора должен превышать её аэродинамическое сопро­тивление. Данное состояние соответствует точке пересечения характеристической кривой вентилятора и характеристической кривой системы воздухоподачи, как показано на рис. 41.

Рисунок 41. График производительности венти­лятора и сопротивления системы воздухоподачи (рабочая точка вентилятора)

Для вентиляторных горелок системная характеристическая кривая изменяется в зависимости от регулировки головки горелки и от степени открытия воздушной заслонки. Для правильного подбора вентилятора кривая системы воздухоподачи должна соответствовать потребляемой мощности.

Для расчёта производительности и напора вентилятора нам требуется точная информация о потерях давления, которые происходят в системе воздухоподачи горелки, включая все воздуховоды, головку горелки и аксессуары.

Потери давления в системе воздухоподачи имеют параболическую зависимость от производительности вентилятора.

Общие потери давления в системе воздухоподачи можно разделить на две составляющие:

• потери давления в местных сопротивлениях;
• потери давления из-за трения (распределённые потери давления).

Потери давления в местных сопротивлениях возникают в головке горелки, где воздух проходит по сложной геометрической траектории, а также на регулируемой воздушной заслонке.

Производитель горелки должен приводить данные (графики) о динамике падения давления в зависимости от расхода воздуха через горелку и от тепловой мощности.

Распределённые потери давления можно рассчитать по формуле Дарси-Вайсбаха:

где:

Δpf - потери давления, вызванные трением (м);

f- коэффициент трения;

L - длина воздуховода (м);

D - диаметр воздуховода (м);

v - скорость воздуха в воздуховоде (м/с);

g - ускорение свободного падения 9,81 (м/с2);

Отношение v2/2g иначе называют динамическим давлением.

Коэффициент трения f можно определить по графику (рис. 42), если известно число Рейнольдса и относительная шероховатость.

Число Рейнольдса вычисляется по следующей формуле:

где:

Re - число Рейнольдса;

d - внутренний диаметр воздуховода (м);

V - скорость воздуха (м/с);

γ - кинематическая вязкость воздуха, равна 16,0*10-6 м²/с;

Относительная шероховатость e/D - это отношение, связывающее абсолютную шероховатость и диаметр воздуховода. Оба параметра выражены в мм. В таблице 9 приведены значения абсолютной шероховатости для некоторых стандартных воздуховодов.

Таблица 9. Значения абсолютной шероховатости для разных типов воздуховодов

Рисунок 42. График для определения коэффициента трения f

Для облегчения расчётов, распределённых потерь существует целый ряд готовых графиков. Некоторые из них представлены в разделе 5.

Данные формулы изначально создавались для круглого сечения. Поскольку на практике часто используются воздуховоды

прямоугольного сечения, для удобства применения тех же формул было введено понятие эквивалентного диаметра Dэкв:

где:

Dэкв - эквивалентный диаметр (м);

a, b - размеры сторон прямоугольного воздуховода (м).

Потери давления в местных сопротивлениях (заслонки, теплообменники, решетки) рассчитываются как сумма потерь давления в каждом элементе. Потери давления в каждом стандартном элементе указываются производителем.

Потери давления в местных сопротивлениях (сужение воздуховода, изгиб воздуховода, и.т.д.) можно рассчитать по следующей формуле:

где:

Δpw - потери давления (Па);

ξ - безразмерный коэффициент потерь давления;

ρ - плотность (кг/м³ );

v - средняя скорость в воздуховоде (м/с).

В технических справочниках печатаются таблицы, где указывается значение ξ для различных элементов воздуховода (см. рис 43). Некоторые из них представлены в разделе 5.

Рисунок 43. Безразмерный коэффициент падения давления в воздуховодах

2.5.1. Регулировка расхода воздуха, участвующего в горении

Как уже было сказано, расход воздуха, участвующего в горении, пропорционален расходу сжигаемого топлива, который в свою очередь пропорционален требуемой мощности. В многоступенчатых и модуляционных горелках необходимо изменять количество подаваемого вентиляторами воздуха с тем, чтобы изменять производительность горелки.

В вентиляторных горелках производи­тельность можно изменять двумя способами:

• изменение рабочей точки вентилятора;
• изменение частоты вращения вентилятора.

При первом методе регулировки изменяются условия работы вентилятора. Как мы помним, эти условия могут изменяться только вдоль характеристической кривой посредством изменения аэродинамического сопротивления в воздушном тракте. Это изменение происходит в результате изменения положения воздушной заслонки, управляемой серводвигателем (рис.44).

Рисунок 44. Изменение производительности при изменении аэродинамического сопротивления на выходе из вентилятора

В зависимости от степени открытия заслонки получаются различные

характеристические кривые. В нашем случае при закрытии регулировочной заслонки характеристический системный график 1 перейдёт в график 2. Точка, соответствующая рабочим условиям вентилятора, переместится из точки А в точку В, и, соответственно, напор опустится со значения Р, до значения Р2, а производительность увеличится со значения до значения V2. Степень открытия заслонки определяет множество характеристических кривых системы и, соответственно, различную производительность.

Наиболее эффективно использование в системе воздухоснабжения вентилятора с выпуклыми лопастями. При уменьшении производительности потребляемая им мощность снижается на большую величину, чем, например, у вентилятора с реверсивными лопастями.

При втором методе изменение числа оборотов вентилятора достигается с помощью специального устройства, называемого "инвертор".

Это устройство изменяет частоту эл. тока на электродвигателе, вращающем рабочее колесо вентилятора. Частота вращения

электродвигателя связана с частотой электрического тока следующей формулой:

где:

n - частота вращения двигателя (оборотов в минуту);

f - частота электрического тока (Гц); р - количество полюсов.

Максимальная производительность достигается при разных рабочих условиях: характеристическая кривая будет сдвигаться до тех пор, пока не совпадет с номинальными рабочими условиями.

На рис. 45 показано изменение характеристики вентилятора при изменении частоты вращения электродвигателя.

Рисунок 45. Изменение производительности вентилятора при изменении частоты вращения электродвигателя