KURZUS: Gépek üzemtana

MODUL: III. modul: Energetikai gépek és berendezések üzemtana

10. lecke: Ventilátorok üzemtana

Tanulási cél

A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz önállóan

  • elmagyarázni
    • a statikus nyomás jelentését,
    • a dinamikus nyomás jelentését,
    • az össznyomás jelentését,
    • a ventilátor jelleggörbéjének sajátosságait,
  • kiszámítani
    • a statikus nyomásnövekedést,
    • az össznyomás-növekedést,
    • a ventilátor teljesítményszükségletét,
  • elmagyarázni, hogy mi a depressziós, a túlnyomásos és a kiegyenlített szellőztetés.
Tananyag

A ventilátorok a levegőt szállító gépek közé tartoznak. Ventilátornak nevezzük az olyan levegőt szállító gépeket, melyek működése során a keletkező legnagyobb és legkisebb nyomás hányadosa, a nyomásviszony nem éri el az 1,1-et. Ha a nyomásviszony ilyen mérséklet, akkor megengedhető a levegő összenyomódásnak elhanyagolása, azaz a szállított közeg (levegő) sűrűsége annak ellenére állandónak tekinthető, hogy valójában kompresszíbilis közegről van szó.

Szerkezetüket és működési elvüket tekintve a ventilátorok ugyanúgy az áramlástani elven működő gépek közé tartoznak, mint a 9. leckében tárgyalt áramlástani elven működő szivattyúk. A bevezetőben kitűzött feltétel lefogadása azt jelenti, hogy a 9. leckében elmondottak a ventilátorokra is érvényesek. Mindössze abból adódnak eltérések, hogy a szállított közeg sűrűsége kb. ezredrésze a szivattyúk által szállított folyadéknak. Ennek következtében a veszteségek, melyek nagysága arányos a közeg sűrűségével, jóval kisebb jelentőségűek és a megengedhető áramlási sebességek lényegesen nagyobbak, mint a folyadékok esetében megszokott néhány m/s.

A ventilátorok üzemével kapcsolatos jellemzők, alapvető értelmüket tekintve megegyeznek a szivattyúknál megismertekkel, de ismét csak a közeg alacsonyabb sűrűsége miatt más formában jelennek meg.

A statikus szállítómagasság és a szállítómagasság közötti különbség elmosódik, mivel a keletkező veszteségek sokszor elhanyagolhatók. Ehhez hozzá kell még vennünk, hogy a szintkülönbségből adódó nyomáskülönbségek is elhanyagolhatók. Ilyen módon a szállítómagasság

H Δp ρg     ( J N =m )

Az összefüggésben " Δp " tartalmazza azt a nyomáskülönbséget is, ami egy szellőztetett zárt térben uralkodó nyomás és az atmoszférikus nyomás közötti különbség, amit statikus nyomáskülönbségnek ( Δ p st ) nevezünk.

A ventilátorok csaknem minden esetben az atmoszférikus állapotú levegőt szívják be, melynek energiaállapota a nyomásával, az atmoszférikus nyomással fejezhető ki.

A ventilátor egy nyomásemelkedést idéz elő. A nyomócsonkján megjelenő levegő energetikai állapota a nyomócsonkban mérhető nyomás, a statikus nyomás és az áramló levegő térfogategységre eső mozgási energiájának, a dinamikus nyomásnak az összege, amit össznyomásnak neveznek:

p 2ö = p 2st + p 2d = p 2st + c 2 2 2 ρ     ( J m 3 =Pa )

Visszatérve a ventilátor által beszívott levegő energiaállapotának leírásához, azt a nyomócsonkra felírt összefüggés analógiájaként a következő módon írhatjuk fel:

p o = p 1ö = p 1st + p 1d = p 1st + c 1 2 2 ρ     ( J m 3 =Pa )

Itt a statikus nyomás a szívócsőben mérhető nyomás és a "c1" sebesség a levegő sebessége ott, ahol a nyomást mértük. Természetesen a kettő összege a ventilátor előtti nyomás, nyugvó levegőben, ami a légköri nyomás.

A ventilátorok esetében tehát a szállítómagasság helyébe az össznyomás-növekedés lép, amivel a ventilátor teljesítményszükséglete

P ö = Δ p ö V ˙ η v     ( W )

Az " η v " ventilátor hatásfok ugyanúgy a mechanikai, a volumetrikus és a hidraulikai hatásfok szorzata, mint az áramlástani elven működő szivattyúknál.

Mindezek következménye, hogy a ventilátorok jelleggörbéje a térfogatáram függvényében az össznyomás-növekedés változását írja le. A 61. ábra egy lehetséges ventilátor jelleggörbét mutat, mely az áramlástani elven működő szivattyúkéhoz hasonló és stabil munkapontot biztosít a szokásos terhelési jelleggörbékkel.

61. ábra

Meg kell itt említeni újra, hogy a csővezeték hidraulikai ellenállása sokszor elhanyagolható és ilyenkor a csővezetéki jelleggörbe tulajdonképpen csak a ventilátorból távozó levegő mozgási energiáját mutatja. Ezt veszteségnek kell tekintenünk, mivel a szellőztetett térbe megérkező levegő az ott lévő levegővel elkeveredve lefékeződik és így ez a mozgási energia véglegesen elvész, súrlódási hővé alakul.

A ventilátorban bekövetkező össznyomás-növekedés folyamatát magyarázza a 62. ábra.

62. ábra

A 62. ábra alapján a zárt tér és a környezet közötti nyomáskülönbséget, mely a két helyen, nyugvó levegőben mért nyomások különbsége, statikus nyomáskülönbségnek nevezik.

A ventilátorok esetében a levegő szállításából következően néhány további megállapítást lehet tenni az áramlástani elven működő szivattyúkkal összehasonlítva:

  • a szívómagasság kérdése érdektelen, hiszen a ventilátorok az atmoszférából szívnak és így tulajdonképpen mindig "hozzáfolyással" üzemelnek,
  • a szabályozás leggyakoribb módja a fojtásos szabályozás, mivel egyszerűsége ellensúlyozza az ezúttal csak kismértékű költségnövekedést,
  • fordulatszám szabályozást többnyire csak a nagy gépeknél alkalmaznak,
  • az affinitás törvénye a ventilátorok jelleggörbéire is érvényes,
  • a kavitáció természetesen nem fordulhat elő,
  • a ventilátorok párhuzamos üzemére ugyanazok a szabályok érvényesek, melyeket az áramlástani elven működő szivattyúknál tárgyaltunk a 9. leckében

A ventilátorok a legtöbb esetben zárt terek szellőztetéséhez szükséges levegő szállítását végzik. A zárt tér szellőztetéshez időegység alatt szükséges levegő mennyisége attól, függ, hogy a zárt térben milyen tevékenység folyik és ennek következtében időegység alatt mennyi:

  • hő szabadul fel,
  • nedvesség szabadul fel,
  • levegőben elkeveredő káros anyag (pl. a légzéskor keletkező CO2) szabadul fel.

A szellőztetés célja, hogy a zárt térben olyan légállapotot tartsunk fenn, mely hőmérséklet, nedvességtartalom és káros anyag tartalom szempontjából megfelelő az ott tartózkodó személyek ill. az ott végzett tevékenység számára.

A szellőztetés legtöbbször csak a hőmérséklet elfogadható határok között tartására szorítkozik. Ez általában megfelelő nedvességtartalmat és kellően tiszta levegőt is biztosít egyúttal.

A nedvességtartalomra és a széndioxidtól különböző egyéb káros anyagokra többnyire csak speciális tevékenységek vagy a kényelem szempontjából kiemelten fontos esetekben kell gondot fordítani.

Légkondicionálásról beszélünk akkor, amikor a zárt térben a levegő hőmérsékletén kívül annak nedvességtartalmát is az előírt értéken tartjuk a szellőző levegő segítségével.

A szellőztetésnek három alapesete van:

  • depresziós szellőztetés,
  • túlnyomásos szellőztetés,
  • kiegynelített szellőztetés.

Depressziós szellőztetésről beszélünk akkor, ha a szellőztetett zárt térben a nyomás kisebb, mint a környezetben. Ilyenkor a szellőztetett térből folyamatosan levegőt szívunk el. Az elszívott levegő helyére friss levegő a környezetből az erre a célra kialakított beszívó nyílásokon és a nyílászáróknál elkerülhetetlenül meglévő réseken keresztül áramlik be a depresszió hatására.

A depressziós szellőztetésnél alkalmazott nyomáskülönbség természetesen mérsékelt, legfeljebb néhány száz Pascal. A depressziós szellőztetés előnye és célja, hogy a környezetet a depresszió fenntartásával megvédi a zárt térben folyó tevékenység során esetleg keletkező káros anyagoktól. Ezek az anyagok a helyiség levegőjével elkeverednek és csak az elszívó ventilátoron keresztül távozhatnak, így lehetőség van az elszívott levegő megtisztítására. Ilyen depressziós szellőztetést alkalmaznak vegyipari laboratóriumokban, festőkamrákban stb. A depressziónak köszönhetően a környezet elszennyeződésétől ajtónyitáskor sem kell tartani.

A túlnyomásos szellőztetés a depressziós szellőztetés megfordítottja. A ventilátor(ok) segítségével folyamatos befúvás van, aminek következtében a zárt térben mérsékelt túlnyomás alakul ki. A túlnyomás hatására a levegő az arra kialakított kifúvó nyílásokon és a nyílászáróknál elkerülhetetlenül meglévő réseken át távozik.

A túlnyomásos szellőztetés előnye és célja, hogy a szellőztetett zárt teret a túlnyomás fenntartásával megvédje a környezet hatásától. Tekintettel arra, hogy a túlnyomás miatt levegő a helyiségbe csak a ventilátoron át juthat, módunkban áll a levegőt a helyiségbe történő befúvás előtt a kívánt mértékben megtisztítani és állapotát minden szempontból az elvárt értékre beállítani. Ilyen túlnyomásos szellőztetést alkalmaznak pl. olyan elektronikai laboratóriumokban és gyártó műhelyekben, ahol a legkisebb mennyiségű por is komoly gyártási problémát jelenthet. Ugyancsak túlnyomásos szellőztetést alkalmaznak pl. az orvosi műtőkben, ahol a túlnyomásnak köszönhetően könnyen megakadályozható a műtő csíramentes levegőjének elszennyeződése az ajtónyitáskor.

A depressziós és a túlnyomásos szellőztetés közös hátrány, hogy a helyiség és a környezet közötti nyomáskülönbség miatt az ajtónyitás nehézkes vagy kényelmetlen lehet. Gondoljuk meg, hogy egy kb. 2 m2-es ajtólap esetén a pl. mindössze 50 Pa nyomáskülönbség is kb. 100 N nagyságú erőt eredményez, ami kellemetlen meglepetés lehet az ajtót kinyitni igyekvőnek. Éppen ezért az ilyen szellőztetés alkalmazásakor légzsilipet alakítanak ki a ki- és bejáratoknál.

A depressziós és túlnyomásos szellőztetés kényelmetlenségének kiküszöbölésére alkalmazzák a kiegyenlített szellőztetést. Eben az esetben a szellőztetett tér és a környezet között nincs nyomáskülönbség. Befúvó és elszívó ventilátorok segítségével gondoskodnak a szükséges légcseréről. Ennek a legnagyobb komfortot biztosító szellőztetési módnak hátránya az, hogy kétszer annyi ventilátor szükséges a megvalósításához és természetesen az üzemeltetési költségek is duplázódnak.

Önellenőrző kérdések
1. Milyen légszállító gépeket nevezünk ventilátoroknak?
2. Mi a ventilátorok működési elve?
3. Miért tekinthető üzemtani szempontból azonosnak a ventilátor és az áramlástani elven működő szivattyú?
4. Mi dinamikus nyomás?
5. Mi statikus nyomás?
6. Mi az össznyomás?
7. Mi az össznyomás-növekedés?
8. Mi a statikus nyomáskülönbség?
9. Mi a célja a szellőztetésnek általában?
10. Mikor beszélünk légkondicionálásról?
11. Milyen alapvető szellőztetési módokat ismer?
12. Mi a depressziós szellőztetés?
13. Milyen esetben célszerű depressziós szellőztetést alkalmazni?
14. Mi a túlnyomásos szellőztetés?
15. Milyen esetben célszerű túlnyomásos szellőztetést alkalmazni?
16. Mi a hátrány a depressziós és a túlnyomásos szellőztetésnek?
17. Mit jelent a kiegyenlített szellőztetés?
18. Mi a hátránya a kiegyenlített szellőztetésnek?