Безразмерные характеристики различных типов вентиляторов

Типы вентиляторов
Радиальные -диаметральные -барабанного типа -нормального типа -с осевым вентилятором на входе Осевые -без направляющего аппарата -с направляющим аппаратом на выходе -с меридионально ускоренным потоком	2,5…3,5 2,1 0,6…1,1 1,25 0,06…0,1   0,5 0,7	0,5…0,6 0,02…0,2 0,35 0,1…0,2   0,3 0,3	0,4…0,5 0,4…0,5 0,04…0,6 0,56 1,6…3,8   0,92 0,715

 

Расчет вентиляторов выполняется по основным формулам, полученным на основе уравнений,, c одновременным использованием равенства :

,

или:

Для воздуха плотностью формулы - примут вид:

,

или

.

Из уравнений и следует:

,

,

.

Для воздуха плотностью формулы и дают:

,

.

Пример 1. Бытовой осевой четырехлопастный вентилятор с диаметром лопаточного колеса имеет значения и . Определить подачу и полное давление вентилятора при частоте вращения .

Из формул и находим:

,

.

Пример 2. Определить, какие значения и должен иметь вентилятор пылесоса, чтобы при и обеспечить разрежение 13000 Па и подачу .

Из формул и находим:

,

.

Данные значения и в комплексе могут быть получены центробежными вентиляторами высокого давления нормального типа (таблица 13).

 

Электроотопление

Электроотопление может быть единственным видом обогрева или дополнять другие источники тепла. Бытовые электроотопительные приборы наиболее часто работают по принципу нагрева сопротивлением (закон Джоуля - Ленца).

По способу теплоотдачи различают электроконвекторы (свободная конвекция воздуха), электротепловентиляторы (принудительная конвекция), электрокамины и прочие инфракрасные электрообогреватели (излучение теплоты). Электрорадиаторы и отопительные электропанели отдают теплоту свободной конвекцией и излучением примерно в равных долях.

Наряду с целым рядом достоинств (простотой регулирования, мобильностью, надежностью, компактностью) электроотопительные приборы являются самыми энергоемкими и дорогими по эксплуатационным затратам. Расчетная мощность для обогрева площади составляет от 0,1 до 0,2 кВт, а годовой расход электроэнергии колеблется от для небольшой квартиры в многоэтажном доме с усиленной теплоизоляцией до в односемейном доме площадью .

Обладая большой мощностью, электрообогреватели перегружают квартирную электросеть, которая, как правило, оснащена розетками без заземления и допускает включение приборов мощностью до 1,3 кВт.

Рассмотрим некоторые виды электрообогревателей и методы их расчета [15].

Электроконвектор (рис. 85) представляет собой прибор с нагревателем внутри коробчатого корпуса. Корпус выполняет функцию вытяжной трубы, в которую снизу свободно поступает холодный воздух из помещения. Нагреваясь, воздух под действием тяги выходит через верхнее отверстие корпуса. Для защиты от перегрева стенок между ними и обогревателем помещают тепловой экран.

Тепловой режим работы электроконвектора должен обеспечить следующие условия:

1) оптимальную температуру нагревательных элементов. Превышение оптимальной температуры резко сокращает срок службы нагревателя, а температура ниже оптимальной свидетельствует о неиспользованных резервах мощности;

2) оптимальную температуру воздуха на выходе из прибора. Повышенная температура недопустима по нормам пожарной безопасности, а пониженная является следствием необоснованного увеличения габаритных размеров электроконвектора.

Для оптимизации теплового режима используют две модели, которые при их объединении позволяют оптимальному нагревателю поставить в соответствие оптимальные размеры корпуса электроконвектора.

Рис. 85. Схема электроконвектора (поперечное сечение):

1 – электронагревательный элемент; 2 – тепловой экран; 3 – корпус.

 

Модель нагревателя. Нагревателем в электроконвекторе может являться блок открытых спиралей, трубчатых электронагревателей (ТЭНов) или иных высокотемпературных источников тепла.

Открытые спирали объединяют в блок из электрически параллельных ветвей. Число рекомендуется выбирать исходя из номинальной мощности прибора (): 0,5-0,8 кВт - 1; 0,8-1,5 кВт - 2; 1,5-2,5 кВт - 3. Диаметр проволоки для навивки спирали -й ветви рассчитывается из условия, что ее максимальная температура не превысит допустимую. Связь между диаметром проволоки и температурой ее нагрева выражается зависимостью:

,

где - мощность, преобразуемая в теплоту -й ветвью спирали; – напряжение; - удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре; - доля теплоты, отводимой от спирали конвективным потоком воздуха (; - теплопроводность слоя воздуха вокруг проволоки, принятая при средней температуре слоя ; здесь ; : , - соответственно температуры воздуха на входе и на выходе из прибора, . Формула дает результат в [мм] и верна, если остальные величины, за исключением температуры, выражены в основных единицах системы СИ.

Для предварительных расчетов можно принимать , , , чему соответствует , , и . После подстановки этих значений в формулу получим для осредненного значения :

.

Вычисленное значение округляется до стандартного значения.

Длина проволоки -й ветви спирали .

Спираль из ветвей формируется в блок (рис. 86).

Рис. 86. Размещение спиралей в блоке: а – шахматное; б - коридорное

 

Число вертикальных рядов рекомендуется принимать равным . Число горизонтальных участков спирали в пределах одной ее ветви с длиной проволоки можно найти из соотношения:

где - шаг навивки спирали; - диаметр витка; – длина нагревателя.

Предварительно можно принять исходя из номинальной мощности прибора: 0,5...1,25 кВт – 0,4...0,5 м; 1,6...2,0 кВт - 0,6...0,7 м.

Расстояние между осями отдельных спиралей:

,

где меньшее значение относится к шахматному расположению спиралей, а большее - к коридорному.

Ширина нагревателя ,

где - диаметр отверстий под спираль в изолирующих планках электроконвектора.

Трубчатые электронагреватели также располагают горизонтально и объединяют в блоки. Для ТЭН главным параметром является температура его оболочки, которая зависит от удельной поверхностной мощности и условий теплоотдачи. Связь выражается формулой:

,

где - удельная поверхностная мощность, ; - активная площадь поверхности всех ТЭН, ; - максимально допустимая температура оболочки ТЭН, ; - диаметр ТЭН, м.

Удельная линейная мощность ТЭН:

,

где .

Отсюда активная длина -го ТЭН мощностью должна составлять:

Формула справедлива при характерных средних температурах нагревателя и окружающей среды .

Тяга конвектора должна быть достаточна, чтобы температура воздуха на выходе не превышала заданное значение. Наиболее важная характеристика – интенсивность потока воздуха через конвектор, зависит от расчетной высоты от середины нагревателя до выходного сечения (рис. 87).

Рис. 87. Расчетная схема корпуса электроконвектора

 

При установившемся режиме электрические, геометрические, аэродинамические и тепловые параметры связаны уравнениями общего и внутреннего баланса теплоты, баланса напора, неразрывности и состояния.

Решение этой системы уравнений приводит к виду:

где - потребляемая мощность электроконвектора,

 ,

,

,

,

и - соответственно входная и выходная термодинамическая температура воздуха, К; ; - плотность окружающего воздуха; - средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале ; - площадь поперечного свободного сечения корпуса; - осредненная степень черноты (поглощающая способность) поверхности прибора (обычно близка к 0,9); - степень черноты нагревательного элемента ); – средняя температура нагревательного элемента (ТЭН или спирали) и определяемая для ТЭН по аналогии с ; - приведенный коэффициент аэродинамического сопротивления всего прибора (в большинстве случаев  = 14...18 м, за исключением сложных схем движения воздуха); -соответственно площадибоковой, верхней поверхностей прибора, поверхности нагревательного элемента и суммарная площадь входных и выходных отверстий.

Если задаться параметрами воздуха, обогреваемого электроконвектором , желательной температурой воздуха на выходе из обогревательного прибора , степенью черноты поверхности нагревательного прибора и нагревательных элементов , то уравнение примет вид:

где - параметры, определяемые размерами электроконвектора (), которым будет соответствовать определенное значение .

Изменяя размеры электроконвектора и площадь поверхности нагревательных элементов при постоянных расчетных значениях можно на модели исследовать их связь с потребной мощностью нагревателя .

Вместо параметров площади удобнее оперировать с линейными размерами корпуса: высотой ; шириной и длиной . Достаточно определенно можно задать отношение . Пренебрегая разницей между наружными и внутренними размерами корпуса, получим:

.

Площадь поверхности нагревательных элементов в первом приближении можно принять из расчета для открытых спиралей и для ТЭН.

Типы и основные параметры электротепловентиляторов регламентируются ГОСТ 17083-88. Предусмотрены настольный, напольный и настенный типы электротепловентиляторов с подачей 1,6; 2,5; 4 . Разность температур на выходе и входе не должна превышать 90 , а температура нагрева корпуса не должна превышать 70 .

Нормируемые параметры электротепловентиляторов – номинальная электрическая мощность , Вт; подача , и температура воздуха на выходе связаны зависимостью:

.

Зависимость позволяет для каждого из стандартных значений подачи найти диапазон мощностей, в котором температура не превышает допустимого предела. При ограничении полной мощности значением 1,25 кВт температура на выходе составит:

	1,6	2,5	4,0

Температура 36 не создает ощущения комфортности, поэтому для мощности 1,25 кВт ограничиваются стандартными значениями подачи .

Диаметр проволоки (мм) для –й ветви спирали:

где – мощность –й ветви спирали; – скорость воздуха на выходе из электротепловентилятора; – напряжение питания; – максимально допустимая температура проволоки спирали, .

Расчетную скорость воздуха на выходе из вентилятора по гигиеническим соображениям выбирают обычно не более 2-3 м/c.

Дальнейший расчет длины проволоки проводят так же, как для электроконвектора. Относительно оптимальных параметров спирали электротепловентилятора рекомендаций нет. На практике принимают несколько меньшие значения диаметра и шага витка, а также более тесное расположение спиралей, чем в электроконвекторах. При этом стремятся равномерно заполнить спиралью выходное сечение вентилятора, площадь которого составляет:

.

Вентилятор выбирают из расчета, что он работает в сети, представляющей собой воздушный тракт электронагревательного прибора.

В соответствии с законом Бернулли для придания воздушному потоку скорости вентилятор должен создать полное давление:

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений воздушной сети (находятся по справочнику).

Учитывая, что статическое давление воздуха на входе и на выходе из тепловентилятора примерно одинаково и близко к атмосферному, можно считать . Тогда, приняв рекомендуемые значения = 2…3 м/с и = 1,205 , из формулы получим необходимое давление:

.

Принятое ранее значение в паре с рассчитанным дает координаты точки, через которую должна проходить рабочая характеристика выбираемого вентилятора.