Вентиляторы и двигатели к ним (Журнал «Мир климата» №108)

Эффективность работы кондиционера зависит от вентиляторов и их электродвигателей в неменьшей степени, чем от компрессоров и теплообменников. Каждая бытовая сплит-система имеет как минимум два вентилятора — в наружном и внутреннем блоках, — обеспечивающих обдув конденсатора и испарителя. Число вентиляторов, использующихся в бытовых и полупромышленных кондиционерах, оценивается в 250 миллионов и 233 миллиона штук соответственно.

Конструкция вентиляторов определяется типом кондиционера, для которого они предназначены. Так, в моделях оконного типа в части, находящейся снаружи помещения, обычно применяются осевые вентиляторы, а внутри — центробежные (типа «сирокко»). При этом оба приводятся в движение одним мотором. В вертикальных кондиционерах оконного типа, популярных в Японии, используются вертикально установленные на разных сторонах тангенциальные вентиляторы, вращающиеся независимо друг от друга.

В ходе ожесточенной конкуренции между крупнейшими производителями климатической техники вентиляторы и электродвигатели для них, использующиеся в широко распространенных сплит-системах с внутренним блоком настенного типа, постоянно совершенствуются. Как правило, в наружный блок таких кондиционеров устанавливают осевой вентилятор, а во внутренний — тангенциальный. На ранних этапах эффективность тангенциальных вентиляторов не превышала 15%, однако за последние годы за счет постоянных улучшений ее удалось довести до 30%. Так как до сих пор не существует теоретической базы для конструирования таких вентиляторов, их разработка ведется путем проб и ошибок. Помимо повышения эффективности тангенциальных вентиляторов идет работа и над снижением стоимости их производства.

Как правило, тангенциальный вентилятор состоит из пластикового цилиндрического корпуса и лопаток, установленных параллельно оси вращения. Лопатки таких вентиляторов, выполненных в виде вытянутого цилиндра, выгибаются в процессе работы, что может привести к появлению вибрации и разрушению изделия. Чтобы предотвратить это, барабан вентилятора собирают из нескольких сегментов, соединенных друг с другом по всей длине ультразвуковой сваркой. При производстве стараются увеличить число отливок с одной пресс-формы, максимально уменьшив угол конусности. Форма лопаток также совершенствуется: если раньше их поперечное сечение представляло собой простую дугу, то сейчас все чаще напоминает крыло самолета (с утолщением посередине).

Кроме того, ведется работа над повышением их энергоэффективности и снижением уровня шума, который зависит от частоты вращения крыльчатки и количества лопаток. Чтобы уменьшить шум, используют такие методы, как установка лопаток с неравным шагом, расположение их под углом к оси вращения, нанесение насечек на краях лопаток с определенным интервалом.

Повсеместное распространение тангенциальных вентиляторов способствует постоянному улучшению их характеристик за счет применения различных подходов и решений.

Что касается осевых вентиляторов наружных блоков сплит-систем, то производители в первую очередь стремятся снизить их уровень шума и увеличить расход воздуха. Для этого совершенствуется форма лопастей, изменяются их количество, угол поворота, применяются конические воздухозаборники, уменьшается размер втулки для увеличения рабочей зоны крыльчатки.

В последнее время получил распространение бионический подход. Стараясь добиться большей производительности, инженеры создают лопасти, используя результаты изучения формы крыльев птиц и насекомых и даже плавников рыб.

Итогом внедрения различных новшеств стало повышение эффективности осевых вентиляторов с 20 до 40%.

За счет улучшения аэродинамических характеристик вентиляторов и снижения аэродинамического сопротивления воздуховодов удается повысить эффективность всей системы кондиционирования в целом. Кроме того, значительную роль здесь играет и работа над совершенствованием моторов, приводящих вентиляторы в движение. В последние годы для оценки энергоэффективности кондиционеров все чаще используют коэффициент годовой производительности APF и сезонный показатель энергоэффективности SEER. Эти величины позволяют учитывать параметры работы оборудования при частичной нагрузке.

Широкое внедрение инверторных технологий дало возможность значительно снизить энергопотребление компрессоров при малой и средней нагрузке. В результате основными потребителями энергии в этих режимах становятся вентиляторы наружных и внутренних блоков. В Японии ради соблюдения строгих требований таких нормативных документов, как закон «О рациональном использовании энергии» и программа Top Runner, производители заменяют традиционные моторы вентиляторов бесщеточными электродвигателями постоянного тока (BLDC). Такие электродвигатели в сочетании с инверторным компрессором становятся стандартной «начинкой» энергосберегающих японских сплит-систем.

В этом контексте представляет интерес новая сплит-система от компании Mitsubishi Electric, во внутреннем блоке которой установлены два осевых вентилятора. Данное решение, включающее в себя два специально разработанных электромотора, позволило повысить показатель APF на 3% за счет снижения энергопотребления вентилятора на 31% по сравнению с аналогичным по аэродинамическим характеристикам устройством тангенциального типа. Оптимизация формы и расположения теплообменника увеличила APF еще на 4,5%.

Для снижения вибрации и шума, создаваемого вентиляторами, рядом с местом соединения мотора и крыльчатки часто помещают резиновую виброзащиту. Так как именно мотор является источником вибраций и электромагнитных помех, важно не допустить их распространения через крыльчатку, особенно во внутренних блоках.

Как уже было сказано, вентиляторы и их моторы оказывают значительное влияние на энергоэффективность кондиционера и на его шумовые и вибрационные характеристики. На сегодняшний день производители кондиционеров стараются сами изготавливать вентиляторы для собственных нужд. Кроме того, существует множество компаний, специализирующихся на производстве вентиляторов различного назначения. Лидеры этого сегмента, компании ebm-papst и Ziehl-Abegg, выпускают продукцию, предназначенную для холодильного и климатического оборудования. Что касается электродвигателей для вентиляторов, то до недавнего времени на рынке присутствовало множество независимых производителей, разрабатывавших моторы собственной конструкции. В последние годы на этом рынке все заметнее становится влияние крупных игроков, таких как Nidec.

Несмотря на кажущуюся простоту крыльчатки и мотора, их совершенствование остается важным элементом конкурентной борьбы на рынке систем кондиционирования.

По материалам JARN