فن سانتریفیوژ Centrifugal Fan
فن ها یا هواکش های صنعتی به طور گسترده ای در صنایع و کاربردهای تجاری استفاده می شوند ، به طور معمول فن ها و پمپ ها بیش از یک چهارم انرژی الکتریکی مصرفی در یک کارخانه را به خود اختصاص می دهند. با توجه به نقش فن ها در صنعت و همچنین پتانسیل صرفه جویی بالای آنها ، آشنایی با این تجهیزات از اهمیت بالایی برخودار است. در ادامه مطالبی که در مورد بگ فیلتر عنوان شد حال در مورد فن های سانتریفیوژ صحبت خواهیم کرد. به طور کلی می توان موارد زیر را به عنوان کاربردهای عمده فن بیان نمود :
- خروج گرد و غبار، رطوبت، گازهای نامطلوب و میکرو اورگانیسم های بیماری زا و در سیستم های تهویه و خروج گازهای احتراق (تهویه)
- ایجاد سرمایش در مناطق مختلف مانند خنک سازی آب در برج های خنک کن و یا خنک سازی هوا در صنایع نیروگاهی و فرآیندی (خنک کاری)
- ورود اکسیژن و یا هوا به فضای بسته مانند استفاده در سیستم های احتراق جهت تامین هوای مورد نیاز
- انتقال مواد
فن های سانتریفیوژ ساخته شده گروه مهندسین مکانیک کبیر برابر با آخرین استانداردهای کیفی مطابق با سفارش مشتری و در سایزها ، ظرفیت ها و اشکال مختلف طراحی و تولید می گردد
اجزای فن :
به طور کلی سیستم فن سانتریفیوژ شامل اجزایی چون موتور الکتریکی (محرک) ، مجرای ورودی و لوله ها، دستگاه کنترل جریان و تجهیزات تهویه هوا (فیلترها، کویل های خنک کننده و مبدل های حرارتی) می باشد که در انواع مختلف فن وجود دارند. علاوه بر اجزای مشترک نامبرده شده، اجزایی مانند شاتر و محافظ نیز وجود دارند که تنها در برخی از انواع فن به کار می روند.
به طور کلی برای به حرکت درآوردن فن، 4 روش وجود دارد:
- موتور الکتریکی
- موتور احتراقی (Engine )
- توربین
- جت هوای فشرده
موتورهای الکتریکی نسبت به سایر موارد بیشتر استفاده شده و معمولا با جریان متناوب (AC ) کار می کنند.
بیشتر فن های صنعتی دارای موتورهای القایی بوده و با توان 3 فاز 240 یا 380 ولت تغذیه می شوند که به دلیل امکان ایجاد افت ولتاژ در سیستم های توزیع ، ولتاژ موتورها در ولتاژهای 230 یا 240 که کمتر از منایع تغذیه است، می باشد . یکی از مشخصه های موتور فن ها ، قابلیت سرعت متغیر است. از آنجایی که عملیات تهویه و جابجایی هوا عملیات متغیری می باشد ، بهتر است سرعت فن قابل تنظیم بوده و موتور قادر باشد در سرعت های متفاوت عمل کند.عموما استفاده از موتورهای با سرعت متغیر نسبت به موتورهای تک سرعته، بازده بیشتری دارند.
شفت موتور یا به طور مستقیم و یا به وسیله تسمه به فن متصل میشود. درایوهای مستقیم ، ساده و دارای بازده مناسب بوده اما برای تغییر و تنظیم سرعت می بایست از ADS (adjustable speed drive) استفاده نمود. درایوهای مستقیم بیشتر در فن های کوچک بکار برده می شوند.در درایوهای تسمه ای امکان کنترل سرعت وجود داشته و چنانچه محاسبات و تخمین اولیه سرعت فن نادرست باشد و یا شرایط عملیاتی تغییر کند، با تغییر تسمه، میتوان سرعت را تغییر داد. یکی از اجزای موتور، کنترلر می باشد. کنترلر دارای مکانیسم سوییچ بوده که با دریافت جریان سوییچ on/off ، سیم پیچ موتور را به منبع تغذیه قطع و وصل مینماید.
پره های فن :
پره های فن از مهمترین اجزای فن بوده که با طراحی ایرودینامیکی ، سبب می شود هوای بیشتری انتقال یابد. همچنین فاصله کمتر بین سر پره ها از یکدیگر (blade tip clearance ) بازده را 10 تا 15% افزایش می دهد.
کانال های هوا (Ductwork) فن ها :
برخی از فن ها، کانال های ورودی و خروجی داشته که هوا از داخل آنها عبور می کند. این کانال ها به شکل های مختلف دایره ای و مستطیلی بوده و در سیستم های کم فشار ، از ورق های فلزی ساخته می شوند اما در سیستم های پرفشار از pipeها که دارای استحکام بیشتری هستند، استفاده میشود.
مساحت سطح کانال ها تاثیر زیادی بر بازده فن داشته و بر روی مقدار حرارتی که با محیط تبادل می شود، تاثیر می گذارد.در کانال های دایره ای در مقایسه با کانال های مستطیلی، مساحت سطوح جانبی نسبت به سطح مقطع کمتر بوده و در نتیجه نشتی هوا نیز کمتر می باشد، از دیگر فاکتورهای تاثیرگذار در میزان نشتی از کانال ها، نوع درزبندی و تعداد درزها در واحد طول کانال است . حفظه های ورودی بزرگ، قیمت بالاتری دارند، اما به دلیل کمتر بودن اصطکاک و وجود فضای بزرگتر برای ورود جریان، مصرف انرژی کمتری دارند.
ابزارکنترل جریان ورودی فن ها :
وسایل کنترل کننده جریان شامل دمپرهای ورودی و خروجی و پره های ورودی فن هستند. پره های ورودی، به دو طریق خروجی فن را کنترل می کنند: ایجاد چرخش در هوای ورودی و محدود کردن میزان هوایی که وارد فن می شود. باید توجه نمود که جهت باز شدن دمپرها و پره های ورودی می بایست با جهت چرخش پره های فن ، یکی باشد. وجود این پیش چرخنده ها ، توان مصرفی فن را کاهش می دهند اما از طرفی، با افزایش محدودیت در ورود هوا به فن، افت فشار در طول دمپر افزایش یافته و نقطه عملیاتی فن در طول منحنی عملکرد به سمت چپ میل کند. در نتیجه بازده فن کاهش یافته و حتی ممکن است در مواردی منجر به عملیات ناپایدار ، ایجاد سرو صدا و سایش درایو فن گردد.
دمپرهای خروجی، هوای خروجی از فن را تنظیم کرده و نقطه عملیاتی فن در طول منحنی عملکرد فن جابجا می کنند. از آنجایی که دمپرهای خروجی تغییری در شرایط هوای ورودی ندارند، تاثیری در میزان کاهش توان مصرفی نیز نخواهند داشت.پره های فن معمولا دارای یک سطح صاف و یک سطح منحنی شکل هستند که به آنها ایرفویل گفته میشود. لبه ی پهن انتهایی ایرفویل، leading edg نام دارد و به لبه باریک ابتدایی آن نیز trailing edge گفته می شود. لبه ابتدایی و انتهایی توسط خطی فرضی به نام وتر به یکدیگر متصل می شوند. زاویه بین وتر و سرعت هوای ورودی، زاویه تماس نامیده می شود.
هنگامیکه هوا وارد یک زانویی با سطح مقطع مستطیلی می گردد، به دلیل اثر اینرسی و یا نیروی سانتریفوژ، تجمع جریان بیشتر در قسمت دیواره بالایی خواهد بود. در واقع خطوط جریان تمایل به حرکت مستقیم دارند اما سطح بالایی، جهت خطوط را منحنی شکل می نماید . چنانچه سطح پایینی برداشته شود، پروفایل جریان کمابیش شکل قبلی خود را حفظ می نماید و همچنان دیواره بالایی مانع از جریان مستقیم هوا خواهد شد.حال اگر دیواره بالایی برداشته و دیواره پایینی بماند، خطوط جریان تمایل دارند که به دیواره پایینی، نزدیک شوند. دلیل این امر این است که به دلیل نیروی اینرسی، جریان بطور مستقیم حرکت می نماید اما به دلیل فشار منفی و خلائ نسبی که در ناحیه مجاور سطح پایین بوجود می آید، خطوط جریان به سمت پایین کشیده می شوند. نتیجه ای که می توان گرفت این است که سطوح منحنی، خطوط جریان را همواره به سمت خود نزدیک می نمایند.
هنگامیکه پره در هوا به حرکت در می آید، در سطح بالایی آن فشار منفی و در سطح پایینی آن فشار مثبت ایجاد می گردد. در نتیجه نیرویی به پره وارد می شود که مولفه افقی آن نیروی درگ و مولفه عمودی آن نیروی لیفت نام دارد. نیروی لیفت در فن های محوری، جریان هوا را منحرف کرده و باعث ایجاد فشار استاتیک فن می گردد. نسبت نیروهای لیفت و درگ با تغییر زاویه تماس، تغییر می کند که بسته به نوع کاربرد فن (تولید فشار و یا جریان بالا و یا داشتن بازده مناسب)، شکل ایرفویل تغییر داده می شود. در مواردی برای جلوگیری از جرم گرفتگی پره در جریانهای حاوی ذرات جامد، به جای پره های ایرفویل از پره های معمولی که قیمت کمتری دارند استفاده می شود. با این وجود، به دلیل کم بودن نیروی لیفت نسبت به نیروی درگ در این پره ها و ضریب لیف پایین، فشارهای تولیدی در این نوع پره ها کمتر می باشد.
انواع فن ها :
1- فن های محوری
فن های محوری، همانطور که از نامشان پیداست، جریان هوا را در طول محور خود به حرکت درمی آورند. هوا پس از عبور از پره ها، در اثر نیروی لیفت حاصل از ایرودینامیک، پرفشار شده و تغییر مسیر می دهد و پس از عبور از مسیر خروجی مجددا تغییر جهت داده و در نهایت در مسیر سرعت ورودی به فن، از آن خارج می شود.
2- فن های پروانه ای (Propeller )
فن های پروانه ای، ساده ترین نوع فن های محوری هستند که برای تولید جریان های بالا و فشار کم کاربرد داشته و اغلب در سیستم های تهویه مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجاییکه فشار تولیدی این فن ها کم است نیاز به کانال ها و مجراهای بزرگ ندارند و به دلیل ساختار ساده پروانه که معمولا دارای دو یا چند تیغه از جنس سبک است، هزینه این فن ها پایین بوده و همچنین قادرند جریان را در جهت معکوس نیز تولید کنند که این امر در کاربردهای تهویه ای دارای اهمیت زیادی می باشد. این فن ها را می توان هم بطور مستقیم و هم بوسیله تسمه به موتور متصل نمود. از معایب آنها، ایجاد سر و صدای نسبتا زیاد و بازده انرژی پایین میباشد.
3- فن های محوری لوله ای (Tubeaxial)
فن های محوری لوله ای ، نوعی از فن های محوری هستند که پره های فن در محفظه سیلندری قرار دارد. در این فن ها، با بهبود مشخصه های جریان ورودی، فشار و بازده بالاتری حاصل می گردد. این فن ها برای تولید فشارهای متوسط و جریان های بالا بکار میروند.
4- فن های محوری پره ای (Vaneaxial Fans)
فن های محوری پره ای، نوع پیچیده تری از فن های محوری هستند که پره ها داخل لوله استوانه ای به گونه ای قرار دارند که با تغییر الگوی جریان، و انرژی جنبشی جریان ورودی را به فشار تبدیل می کنند.این فن ها نسبت به سایر فن های محوری بیشترین بازده را داشته و برای تولید فشارهای متوسط تا بالا مورد استفاده قرار می گیرند. چنانچه پره های آنها از نوع airfoil باشد بازده آنها بیش از 85% خواهد بود.
5- فن های سانتریفیوژ
فن های سانتریفیوژ معمول ترین نوع فن های مورد استفاده در صنایع هستند. در این فن ها، هوا از بخش پروانه به سمت پره ها حرکت کرده و انرژی جنبشی آن زیاد می شود. این انرژی جنبشی قبل از ورود به بخش discharge به انرژی فشاری تبدیل شده و در نتیجه فشار هوا بالا می رود. فن های سانتریفوژ برای جریان های حاوی ذرات (رطوبت و گرد و غبار)، برای انتقال مواد و همچنین برای سیستم های دارای دمای بالا کاربرد دارد.این فن ها قادرند فشارهای بالا را با بازده زیاد تولید کرده و با بیشتر شرایط فرایندهای سازگاری دارند که این یکی از مزیت های مهم می باشد. فن های سانتریفیوژ بسته به نوع پره به چند دسته زیر تقسیم می شوند:
- پره های ایرفویل (AF )
- انحنا رو به عقب ( BC )
- صاف رو به عقب ( BI )
- مستقیم در نوک ( RT )
- انحنا رو به جلو ( FC )
- شعاعی ( RB )
پره های ایرفویل (AF ) فن های سانتریفیوژ با پره های ایرفویل بهترین راندمان کاری و کمترین تولید صدا را در بین انواع مختلف فن های سانتریفوژ دارند.
فن های BC دارای راندمان کمتری نسبت به فن های ایرفویل بوده و می توانند گازهای که دارای ذرات هستند را انتقال دهند. چنانچه غلظت مواد درون گاز بالا باشد پره های شعاعی یا مستقیم در نوک مناسب هستند.
انحنا رو به جلو ( FC )در مقایسه با فن های( BC) در اندازه یکسان دبی کمتر و فشار بیشتری تولید کرده و راندمان پایین تری دارند. فن های رو به جلو در جاهایی که فضای اشغال شده اهمیت داشته باشد استفاده میشوند.
فن های ( RB ) راندمان کمی دارند ولی از لحاظ ساخت ساده تر بوده و امکان تمیز کاری در حین کار وجود دارند.
محاسبه توان و بازده فن :
محاسبه توان فن به جهت اینکه با استفاده از آن می توان مقدار انرژی مصرف شده توسط موتور و در نتیجه هزینه عملیاتی فن را محاسبه نمود، دارای اهمیت زیادی می باشد. محاسبه توان فن با استفاده از جریان و فشار خروجی که از طریق فن به جریان داده شده صورت می پذیرد. حاصل ضرب جریان خروجی در فشار کل، نشان دهنده میزان توان تولیدی توسط فن میباشد. منظور از فشار کل خروجی، مجموع فشار استاتیکی و فشار دینامیکی است که سیال به واسطه سرعت خود دارد. فشار دینامیکی از طریق سرعت سیال خروجی و دانسیته جریان محاسبه می گردد. برای سیستم انگلیسی، جهت تبدیل واحدها gc ، نیز به رابطه استفاده می گردد.
از آنجاییکه راندمان فن بصورت توان تولید شده توسط فن بر توان خروجی موتور بیان می گردد، با وارد کردن تعداد ساعات کارکرد پمپ در سال، میزان توان مصرفی موتور بر حسب کیلووات ساعت حاصل خواهد شد.
توان مصرفی موتور/توان تولیدی فن = بازده فن
بازده موتور/تعداد ساعات کارکرد فن*توان تولیدی = مصرفیKWh
بدیهی است چنانچه در اثر عوامل مختلف، میزان توان تولیدی فن تغییر کند، توان مصرفی موتور نیز تغییر خواهد نمود. برای به دست آوردن میزان کاهش یا افزایش توان مصرفی باید درصد تغییر توان تولیدی فن را در توان مصرفی ضرب نمود.البته میزان تغییر توان را با استفاده از بازده موتور فن نیز می توان بدست آورد.یکی دیگر از روشهای محاسبه توان مصرفی موتور بر حسب کیلووات استفاده از داده های امپدانس و ولتاژ موتور است.جایی که فن بیشترین بازده را داراست نقطه عملکرد بهینه (BEP ) نام دارد. عملکرد فن در این نقطه و یا نقاط نزدیک به آن، باعث افزایش بازده، طول عمر تجهیزات فن و کاهش سرعت فرسایش درایو خواهد بود هنگامیکه فن در سرعت و ظرفیت طراحی خود عمل کند، شرایط عملیاتی به نقطه عملکرد بهینه نزدیک خواهد شد.
روشهای کاهش مصرف انرژی در فن ها :
جهت بهبود کارایی فن می بایست نیازمندی های سیستم را در مرحله طراحی اولیه و انتخاب فن و در طول عملیات در نظر گرفت. بر این اساس اقداماتی که برای کاهش توان مصرفی فن و افزایش بازده انجام می پذیرد، به دو دسته تقسیم بندی می شود. دسته اول اقداماتی است که قبل ازخرید و نصب فن صورت می پذیرد که این اقدامات شامل انتخاب فن مناسب، طراحی مناسب مسیر مجراهای عبور هوا، انتخاب تجهیزات فرایندی منطبق با نیازمندیها و مواردی از این قبیل می باشد. دسته دوم اقداماتی ست که پس از نصب فن انجام می شود. به طور کلی با اعمال این تغییرات میتوان تا حد زیادی در مصرف انرژی صرفه جویی نمود.
- انتخاب فن مناسب بر اساس نیازمندیها
- استفاده از تجهیزات با راندمان بالا
- کاهش زمان کارکرد غیرمفید فن ها و استفاده از سیستم کنترل روشن – خاموش
- تنظیم ظرفیت تولیدی فن بر اساس نیازمندیهای سیستم
- شناسایی نشتی های موجود در سیستم و رفع آنها
- استفاده از کنترلرهای ASD جهت کنترل سرعت چرخشی فن و امکان تغییر ظرفیت فن
- اقدامات تعمیر و نگهداری از جمله روانکاری و تمیزکاری فنها بصورت دوره ای، بازرسی از تسمه ها در درایوهای تسمه ای و تعویض به موقع آنها
تعمیرات و نگهداری فن ها :
به همان میزان که یک طراحی خوب و ایده آل و در نظر گرفتن تمامی نکات ضروری حین عملیات فن باعث افزایش کارایی سیستم می گردد، تعمیر و نگهداری مناسب و دوره ای نیز در بازدهی بالای فن ها موثر بوده و علاوه بر افزایش ایمنی سیستم وکاهش هزینه های عملیاتی ، از بروز خطرهای غیرقابل پیش بینی و صدماتی که منجر به تعمیرات اساسی سیستم می گردد جلوگیری می نماید.وجود یک برنامه منظم و دوره ای بازرسی، استفاده از ابزارهایی که وضعیت تجهیزات را مورد بررسی قرار می دهند، ثبت مشاهدات بازرسی برای برنامه ریزی اقدامات تعمیر و نگهداری، داشتن تاریخچه ای از تعمیرات تجهیزات و مشاهدات اپراتورها و در نهایت تعمیر یا جایگزینی تجهیزات در صورت نیاز از روند انجام نگهداری پیشگیرانه می باشد. برنامه های بازرسی باید در فواصل زمانی مناسب انجام گیرد که معمولا این فواصل یا بر اساس تعداد ساعات عملیاتی بوده و یا بر اساس پیشنهادات سازنده و در تاریخهای معین انجام میشوند.
بازرسی از تسمه ها فن ها :
در درایوهای تسمه ای، تسمه یکی مهمترین قسمت فن جهت بازرسی می باشد. به مرور زمان تسمه فرسوده شده و خاصیت کشسانی آن نیز کم می شود در نتیجه بازده انتقال نیرو کاهش می یابد. حتی تسمه های جدید نیز 5 تا 10% افت بازده دارند که با فرسایش تسمه، افت بازده بیشتر نیز خواهد شد.
تمیز کاری فن ها :
وجود جرم در پره ها و سایر سطوح فن باعث کاهش بازدهی آن خواهد شد از طرفی دیگر بدلیل آنکه این جرم ها بصورت یکنواخت نیستند، ممکن است باعث عدم تراز بودن فن و فرسودگی درایو گردند به همین دلیل تمیزکاری متناوب فن ها از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین جرم گرفتگی، باعث کاهش جریان عبوری از فن شده و عملکرد فن را به شرایط ناپایدار و stall نزدیک مینماید.
روانکاری یاتاقان فن ها :
بازرسی و روانکاری مدوام یاتاقان ها بر اساس توصیه های سازنده یکی از اقدامات مهم نگهداری بوده و عدم انجام بموقع آن علاوه بر ایجاد سر و صدا، خطر گیرکردن یاتاقان ها را نیز بهمراه دارد. قبل از روانکاری می بایست فن ها را تمیز نموده و از کیفیت مناسب روغن و گریس مورد استفاده اطمینان حاصل نمود. باید توجه داشت که گریس کاری بیش از اندازه، باعث گرم شدن یاتاقان ها شده و مانع از حرکت مناسب آنها می شود. تجزیه و تحلیل vibration و آنالیز روغن در یاتاقان های روانکاری شده، به بررسی شرایط یاتاقان کمک کرده و بدین ترتیب میتوان زمان مناسب جهت تعویض یاتاقانها را معین نمود.
تعویض موتور فن ها :
با توجه به اینکه همه موتورها عمر مشخصی دارشته و استفاد بیشتر از آنها باعث کاهش بازده فن و شکستگی عایق سیم پیچ می گردد، باید نسبت به تعویض سیم پیچ و یا کل موتور اقدام نمود. تصمیم گیری در مورد تعمیر و یا تعویض موتور به فاکتورهای زیادی وابسته است که از آن جمله می توان به سایز و نوع موتور، تعداد ساعات عملیاتی و هزینه انرژی الکتریکی اشاره نمود. دمای بیشتر از مقدار مجاز نیز برای مدت طولانی، به عایق سیم پیچ موتور آسیب می رساند. در صورت تعویض موتور، بهتر است از موتورهای با بازده بالا که معمولا 3 تا 8% بیشتر از حالت استاندارد کارایی دارند، استفاده شود.
نکات مهم انتخاب انواع فن سانتریفیوژ و آکسیال :
به طورکلی با توجه به اهمیت دسترسی و استفاده از هوای تمیز و مناسب، فن سانتریفیوژ و آکسیال جهت تخلیه هوا، سیرکولاسیون هوا و هوارسانی در کارگاه ها و آشپزخانه های صنعتی، مرغداری ها، گلخانه های صنعتی، آشپزخانه ها و سرویس های بهداشتی ساختمان های مسکونی و … مورد استفاده قرار می گیرند.باید توجه داشته باشید که فن آکسیال یا پنجره ای قادر به جابجائی حجم بیشتر هوا نسبت به فن های سانتریفوژ بوده اما باید کاملا بدون امکان رانش هوا در کانال (بدون فشار استاتیکی) مورد استفاده قرار گیرد.
