Приложение D (справочное). Вычисление входной мощности на рабочем режиме для вентиляторов с приводом

Приложение D
(справочное)

Вычисление входной мощности на рабочем режиме для вентиляторов с приводом

D.1 Общие положения

Многие страны снова начали проявлять большой интерес к энергетической эффективности всех типов вентиляторных установок, заботясь об окружающей среде и экономической выгоде. В связи с этим появилась необходимость единого подхода к способу определения входной электрической мощности . На рисунке D.1 показаны типичный случай клиновой передачи и различные типы потерь, которые могут возникнуть.

Рисунок D.1 - Пример, показывающий потери мощности при работе вентилятора с приводом

D.2 Расчет потребляемой мощности

D.2.1 Общие положения

Входная электрическая мощность, потребляемая вентилятором, состоит из нескольких частей. Эти части описаны в D.2.2 - D.2.4.

D.2.2 Механическую мощность, подведенную к рабочему колесу, обозначают и выражают в Вт или кВт. - полезная мощность, подведенная к потоку. Тогда КПД лопаточной системы:

,

(D.1)

выраженный в долях единицы.

Это применимо для вентиляторных установок типов 4, 5, 15 и 16 (см. [1]).

D.2.3 Механическую мощность, подведенную к валу вентилятора, обозначают и выражают в Вт или кВт. - полезная мощность, подведенная к потоку. Тогда КПД вентилятора:

,

(D.2)

выраженный в долях единицы.

Это применимо для вентиляторных установок типов 1 - 3, 6 - 14 и 17 - 19 (см. [1]).

КПД вентилятора отличается от КПД лопаточной системы учетом потерь в подшипниках из-за трения.

D.2.4 Потери на трение в подшипниках могут быть вычислены по формуле (D.3):

,

(D.3)

где - потери в подшипниках, Вт;

М - полный момент трения подшипников, ;

N - частота вращения рабочего колеса/вала, об/мин.

Момент трения правильно смазанных подшипников хорошего качества может быть в большинстве случаев оценен с достаточной точностью с использованием коэффициента трения и формулы (D.4):

(D.4)

где М - полный момент трения подшипников, ;

- коэффициент трения подшипников (см. таблицу D.1);

- эквивалентная нагрузка на подшипники, Н;

d - внутренний(е) диаметр(ы) подшипника(ов), м.

Таблица D.1 - Приблизительные коэффициенты трения для различных типов подшипников

Тип подшипника	Коэффициент трения
Подшипники качения с глубокой канавкой	0,0015
Радиально-упорный шариковый подшипник
- однорядный - двухрядный	0,002 0,0024
Четырехточечный контактный шариковый подшипник	0,0024
Самоустанавливающийся шариковый подшипник	0,0010
Цилиндрический роликовый подшипник
- с сепаратором - бессепараторный	0,0011 0,0020
Игольчатый подшипник	0,0025
Радиально-упорный роликовый подшипник (конический)	0,0018
Сферический подшипник	0,0018
Упорный шариковый подшипник	0,0013
Упорный роликовый подшипник	0,0050
Игольчатый упорный подшипник	0,0050
Сферический упорный подшипник	0,0018
Примечание - Информацию о коэффициенте трения для подшипников всех остальных типов следует запрашивать у изготовителей.

Полное сопротивление вращению в подшипниках состоит из трения скольжения и качения (в местах контакта роликов, в областях контакта между вращающимися элементами и сепаратором, между наружным или внутренним кольцами); трения в смазке; сдвигового трения в контактных уплотнениях, если они имеются.

В случае наличия в подшипниках контактных уплотнений, потери на трение в них могут превышать потери в самих подшипниках. Момент трения в уплотнениях для подшипников, имеющих их с обеих сторон, может быть оценен эмпирической формулой (D.5):

,

(D.5)

где - момент трения в уплотнениях, ;

- коэффициент, зависящий от типа подшипника;

- константа, зависящая от типа подшипника и типа уплотнения, ;

- диаметр отверстия подшипника, м (см. рисунок D.2);

a - степень, зависящая от типа подшипника и уплотнения.

Рисунок D.2 - Сечение подшипника качения с уплотнениями

В формуле (D.5) a может изменяться в пределах от 0 до 2,3; может изменяться в пределах от 0 до 0,06 и может изменяться в пределах от 0 до 50. Значения этих переменных по необходимости определяются изготовителем. Их обозначения при этом могут отличаться.

Так как:

,

(D.6)

КПД подшипников может быть определен по формуле (D.7):

,

(D.7)

.

(D.8)

Во всех случаях, вероятно, лучше испытывать вентиляторные установки типов 1 и 4 (по [1]), получая потери в подшипниках вычитанием.

Примечание - Полный момент трения в подшипниках - численная сумма всех моментов трения вне зависимости от их знака (направление моментов несущественно).

D.2.5 Потери мощности в передаче

Многие вентиляторы, особенно в системах нагрева, вентиляции, кондиционирования и охлаждения воздуха, имеют в приводе шкивы и клиновую ременную передачу. Это дает свободу изготовителям, которые могут охватить широкую область работы ограниченным количеством типов вентиляторов. Проектировщику это также удобно, так как в случае неверного расчета сопротивления системы простая замена шкива может исправить ситуацию при достаточной мощности двигателя.

Необходимо быть осторожным, чтобы не перегрузить или недогрузить ременную передачу. В обоих случаях снижается ее эффективность. КПД оптимально рассчитанной передачи может достигать 95%, однако при прямом пуске от электрической сети дополнительные ремни могут значительно его снизить. Плавный пуск может быть одним из хороших решений.

Если вентилятор подключен через гибкое соединение (см. [1], разделы 7, 8, 9 и 17), то КПД такого соединения принято считать равным 97%, кроме тех случаев, когда изготовитель гибкого соединения предоставляет свои значения.

D.2.6 Мощность двигателя

Наиболее распространенный тип двигателей, используемых в вентиляторных установках (мощностью выше 1 кВт), - асинхронный. Он прочный, надежный, требует минимум обслуживания и относительно недорогой. Постепенно происходило улучшение его КПД как при частичной, так и при полной нагрузке. Увеличение КПД было достигнуто использованием большего количества активного вещества. Три уровня КПД асинхронных двигателей стандартизировано в [6]*. КПД реальных двигателей при частичной нагрузке (около 75% номинальной нагрузки) может быть даже выше, чем при полной нагрузке. В этом состоит одно из отличий от двигателей более ранних разработок. Важно использовать КПД при реально потребляемой мощности, которая может быть рассчитана любым из методов, описанных в [2]**.

D.2.7 Потери мощности в управлении

Этими потерями обычно пренебрегают, особенно при использовании инверторов (частотных преобразователей). КПД системы управления при сильном снижении момента может быть значительно ниже 100%, хотя, конечно, потребляемая вентилятором мощность также низка. Рисунки D.3 - D.6 являются типичными примерами для двигателя мощностью 30 кВт.

Рисунок D.3 - КПД типичного двигателя при различной нагрузке

Рисунок D.4 - КПД типичного частотного преобразователя

Рисунок D.5 - КПД типичного двигателя и частотного преобразователя

D.3 Потребляемая из сети мощность

Входная электрическая мощность, потребляемая из сети, может быть рассчитана по формуле (D.9):

(D.9)

где - входная электрическая мощность, Вт или кВт;

- объемный расход, или л/с;

- давление вентилятора, Па или кПа;

- КПД лопаточной системы в долях единицы;

- КПД подшипников в долях единицы;

- КПД двигателя в долях единицы;

- КПД передачи в долях единицы;

- КПД частотного преобразователя в долях единицы.

Примечания

1 Если давление вентилятора выражено в паскалях, то - в ваттах. Если давление вентилятора выражено в килопаскалях, то - в киловаттах.

2 ,

где - КПД вентилятора на валу.

3 Может использоваться статическое давление вентилятора вместо полного при условии, что также рассчитано по статическому давлению. Статический КПД вентилятора - теоретически некорректное понятие, так как он не может быть равен 100% или 1.

4 Расчеты обычно проводят на стадии исследований, перед проведением экспертизы продукции.

Все режимы работы и значения должны быть получены на соответствующем типе стенда.

D.4 Представление результатов испытаний типичного асинхронного двигателя и частотного преобразователя, являющихся приводом вентилятора

Общий КПД привода вентилятора, состоящего из асинхронного двигателя и частотного преобразователя, связан с зависимостью потерь давления в сети от объемного расхода. Для большинства систем (см. рисунок D.6). Нанося на график зависимость момента на валу двигателя от частоты вращения, можно видеть, что . Однако есть другие варианты, то есть можно считать потребный момент постоянным, в то время как влияние вязкости может снизить показатель степени частоты вращения ниже 2. Также возможно, что присутствуют элементы с фиксированным сопротивлением. Зная, как меняется момент на валу двигателя от частоты вращения, можно рассчитать, как меняется общий КПД.

Рисунок D.6 - Типичный КПД двигателя вентилятора с частотным преобразователем