همانطور که می دانیم بعنوان کشنده و دمنده هوا نقشی اساسی را در خنک کاری بازی می کند. این مقاله روشی را به منظور طراحی و انتخاب فن جریان محوری پکینگ برج خنک کننده باهدف صحت سنجی تجربی نتایج تئوری بدست آمده ارائه می کند. مسئله‌ی طراحی و انتخاب پروانه فن با توجه به مقدار حجم هوادهی و فشار استاتیکی موردنیاز برای هر سیستم مشخص میگردد. هنگامی‌که طراحی فن بر اساس نتایج تئوری تائید گردد، تعیین مشخصات هندسی فن به‌منظور عملکرد با یک سری از مشخصات خاص، ممکن خواهد شد.
اصطلاح فن محوری بر این موضوع دلالت دارد که جریان هوای عبوری از فن تقریباً به‌صورت محوری میباشد. در قسمت ورودی فن که جریان هوا به پره‌های فن نزدیک میشود، جهت جریان به‌صورت محوری و به‌بیان‌دیگر موازی با محور دوران، در صورت نبود عامل مزاحم در ورودی خواهد بود. سپس پره فن جریان را مطابق با شکل 1 منحرف خواهد کرد
شکل 1. پره با سطح مقطع ایرفویل و انحراف جریان ورودی
پروانه فن، مکانیزم طراحی‌شده‌ای جهت ایجاد نیروی کشنده یا هل دهنده در تراکنش با سیال واسطه میباشد. پروانه فن کولینگ تاور یک المان آئرودینامیکی میباشد که از هاب یا هسته مرکزی و تعدادی پره تشکیل شده است. عملکرد یک فن جریان محوری بر اساس انحراف جریان هوا میباشد. الگوی جریان منحرف شده پس از پره به صورت مارپیچی همانند یک پلکان مارپیچ میباشد. این موضوع برای تمامی فنهای آکسیال ملخی، فنهای تیوب اکسیال و فنهای وین اکسیال صادق میباشد.
لذا پروسه طراحی و محاسبات طراحی مربوط به هر سه نوع یکسان میباشد. مؤلفه سرعت هوا در الگوی مارپیچ جریان عبوری پس از پره‌ها را می‌توان به دو مؤلفه سرعت محوری و مماسی تجزیه کرد. مؤلفه محوری سرعت (موازی با جریان ورودی)، مؤلفه‌ی کارا جهت حرکت دادن جریان هوا به نقطه مورد نظر میباشد.
فن ایرفویل
ایرفویل سطح مقطعی با هندسه مشخص جهت بهبود شرایط آئرودینامیکی و کاهش مقاومت در برابر جریان هوا میباشد که مهم‌ترین کاربرد آن در سطح مقطع بال هواپیما و همچنین سطح مقطع پره‌های فن میباشد.
همانطور که مشخص است سطح بالایی ایرفویل دارای انحراف بیشتری نسبت به سطح پایینی میباشد. با حرکت جریان هوا از روی ایرفویل به دلیل انحنای کمتر سطح پایینی، هوا باید مسافت بیشتری روی سطح ایرفویل طی کند لذا سرعت هوا در قسمت زیرین ایرفویل بالاتر از قسمت بالایی ایرفویل میباشد. لذا با توجه به اصل برنولی، فشار مثبت در سطح زیرین و فشار منفی یا ساکشن در سطح بالایی ایروفیل ایجاد خواهد شد.
این اختلاف فشار سبب ایجاد نیروی F میشود. نیروی F به دو مؤلفه نیروی برآ یا لیفت L به‌صورت عمود بر سرعت جریان و نیروی درگ یا پسا D به‌صورت موازی با سرعت جریان تجزیه میگردد. نیروی برآ مؤلفه کارا میباشد.
پیچش پره
جریان هوا به‌منظور بهینه‌سازی و بالا بردن راندمان آئرودینامیکی بایستی به‌صورت یکنواخت روی سطح پره فن توزیع گردد. مؤلفه محوری سرعت هوا بایستی مقدار یکسانی از هاب تا نوک پره دارا باشد اما سرعت پرهی در حال دوران به‌صورت یکنواخت نمیباشد. سرعت در نزدیکی مرکز پره یا هاب پایین بوده و با حرکت به سمت نوک تیغه افزایش مییابد. این اختلاف بایستی توسط ایجاد پیچش در پره‌ها جبران گردد.
لذا زاویه حمله در نوک پره بایستی مقدار کمتری نسبت به زاویه حمله در ریشه یا پایه پره باشد. شکل 3 یک ایرفویل نامتقارن به‌عنوان سطح مقطع فن پره ای و پیچش آن را نشان میدهد.
محاسبه تعداد تیغه های مورد نیاز در طراحی فن برج خنک کننده
لبه پره ها شامل لبه حمله و فرار پره سهم عمده در ایجاد توربولانس و نویز به وجود آمده در پروانه را دارا میباشد و سطح پره سهم پایینی در این موضوع ایفا میکند. لذا تعداد پره کمتر با عرض بیشتر سبب افزایش راندمان و کاهش سطح آلودگی صوتی میشود؛ اما توجه به این نکته مهم است که تعداد پره کم با عرض زیاد سبب افزایش وزن، حجم، قیمت پروانه برج خنک کننده در بالانس فن میشود.
از لحاظ آیرودینامیکی تعداد یک پره با عرض زیاد بهینه‌ترین نوع پروانه میباشد اما ازلحاظ عملی و همچنین هزینه بالا چنین موردی امکان‌پذیر نمیباشد. لذا با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف نظیر راندمان و هزینه و رسیدن به مصالحه‌ای بین آنها، تعداد 5 تا 12 پره راه‌حل عملی مناسبی برای پروانه میباشد. شکل 4 یک فن را نشان میدهد.
محاسبه ابعاد فن محوری کولینگ تاور
کانالی با سطح مقطع برابر با 1.392 مترمربع درنظر بگیرید. حجم هوادهی موردنیاز برابر با 60 مترمکعب بر ثانیه یا 127133 فوت مکعب بر دقیقه با میزان فشار استاتیک برابر با 495 پاسکال (معادل 2 اینچ ستون آب) بایستی توسط این فن محوری با دور 2000 دور در دقیقه توسط موتوری با توان 84.438 کیلووات ایجاد گردد. سرعت خروجی به‌صورت زیر به دست میآید.
که در آن:
OV=q برابر یا فشار دینامیکی یا سرعت خروجی
برابر با چگالی هوا در ارتفاع 2240 متری از سطح دریا
V برابر با سرعت محلی
که در آن:
Q برابر با حجم هوادهی
V برابر با سرعت محلی
لذا مقدار سرعت خروجی OV به‌صورت زیر به دست میآید.
با موتوری با توان 84.438 کیلووات، فن راندمان 85 درصدی خواهد داشت که از میزان پیش‌بینی‌شده بالاتر میباشد و این سبب اضافه‌بار موتور خواهد شد. موتور با توان 100.711 کیلووات به‌منظور هوادهی به میزان 60 مترمکعب بر ثانیه با فشار استاتیک 495 پاسکال موردنیاز خواهد بود.
به‌منظور محاسبه کمترین قطر هاب dmin و کمترین قطر فن Dmin جهت برآورد این ملزومات به روش زیر عمل می‌کنیم. کمترین قطر هاب dmin به‌صورت زیر به دست میآید.
هنگامی که طراحی فن برج خنک کننده بر اساس نتایج تئوری تائید گردد، تعیین ابعاد فن کولینگ تاور به‌منظور عملکرد با یک سری از مشخصات خاص، ممکن خواهد شد. الزاماتی نظیر حجم هوادهی و فشار استاتیکی غالباً تعیین‌کننده نوع فن مورداستفاده برای یک کاربری خاص هستند. فنهای جریان محوری مورد استفاده درون برجهای خنک کن دارای مزایایی نظیر هزینه اولیه پایین‌تر، حجم هوادهی بالا، نصب آسان‌تر، سطح صدا و نویز تولیدشده کمتر در سرعت‌های بالا، تعمیر و نفروش فن آکسیال یا هواکش محوری
هایپر صنعت فامکو تامین کننده و عرضه کننده های محوری یا آکسیال در انواع زیر می باشد:
- فن آکسیال پروانه ای یا ملخی
- فن آکسیال جریان محوری
- فن آکسیال پره محوری
هایپر صنعت فامکو در زمینه تولید، فروش و خدمات پس از فروش فن آکسیال در انواع مختلف پروانه ای یا ملخی، جریان محوری و پره محوری به شما مشتریان عزیز خدمات و مشاوره ارائه می دهد.
انواع هواکش محوری یا فن آکسیال
کاربرد فن آکسیال با توجه به بهره وری و عملکردی که دارد، در شرایط و محیط های مختلف، متفاوت است. این فن ها از جمله هواکش هایی هستند که هم به عنوان مصرف خانگی و هم صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. ممکن است هواکش های محوری ظاهر و اندازه های مختلفی داشته باشند، اما به طور کلی هوادهی آنها به صورت محوری است و هوایی هم که ایجاد می کنند حجم زیاد و فشار کمی دارد.
فن آکسیال بسته به نوع طراحی که دارد در انواع مختلفی تولید می شوند که عبارتند از:
- فن آکسیال پروانه ای یا فن ملخی (Axial Propeller Fan)
- فن آکسیال پره ای (Vane Axial Fan)
- فن آکسیال لوله ای یا اگزاز فن کانالی (Tube Axial Fan)
فن آکسیال پروانه ای یا ملخی
فن آکسیال پروانه ای از تیغه های بلند و باریک تاب خورده ساخته می شوند. تیغه ها به یک توپی ثابت متصل می شوند و کل مجموعه در یک محفظه می چرخد، که در آن محفظه در کنترل جریان هوا تأثیر کمی دارد یا هیچ تأثیری ندارد.
فن آکسیال ملخی یکی از متداول ترین فن های استفاده شده در جهان می باشد و معمولا پروانه های استفاده شده در این فن ها از آلیاژ ها و مواد مختلف پلاستیکی یا فلزی ساخته می شوند. پروانه های هواکش در سایز های کوچک به یک الکتروموتور به صورت کوپله مستقیم و در سایز های بزرگ تر به صورت فولی تسمه به الکتروموتور متصل می شوند. از کاربردهای معمول برای فن های پروانه ای، فن های دیواری، سقفی، می توان به مبدل های حرارتی برج خنک کننده و هوا خنک کننده ها اشاره کرد.
کاربرد فن آکسیال پروانه ملخی
نوع ساختار هواکش های آکسیال پروانه ای باعث شده است که بتوان از این فن ها در کاربرد های مختلفی استفاده کرد. از جمله کاربرد های در نظر گرفته شده برای این نوع از فن آکسیال عبارتند از:
- اگزاست فن های دیواری
- فن های آکسیال سقفی
- مبدل های حرارتی برج خنک کننده
- خنک کننده های هوا
منحنی عملکرد فن جریان محوری
رابطه بین تغییر فشار و میزان جریان حجم از مشخصات مهم فن ها است. ویژگی های معمول فن آکسیال را می توان از منحنی عملکرد آنها بررسی کرد. منحنی عملکرد فن های محوری بر اساس نسبت ها و تناسب های مربوط به توان و بازدهی فن تشکیل می شود. در این منحنی عملکرد هواکش محوری که در شکل نشان داده شده است. در این منحنی میزان حداکثری و حداقلی ظرفیت هوادهی فن آکسیال در یک بازه مشخصی از فشار استاتیک تولید شده توسط فن، محاسبه می شود. موارد زیر اطلاعاتی هستند که با دقت به منحنی عملکرد فن های محوری بدست می آیند:
- هرچه سرعت جریان از صفر افزایش یابد، بازده به یک نقطه خاص افزایش می یابد و به حداکثر مقدار می رسد و سپس کاهش می یابد.
- توان خروجی فن ها با شیب مثبت تقریباً ثابت، افزایش می یابد.
- نوسانات فشار که در تخلیه های کم و با دبی مشاهده می شود (همانطور که در نقطه “S” نشان داده شده است.) فشار کاهش می یابد.
- تغییرات فشار در سمت چپ نقطه “S” باعث ایجاد جریان ناپایدار می شود که ناشی از دو اثر توقف و افزایش است.
فن های محوری به طور کلی پره های کمتری (2 تا 10) نسبت به فن های کانالی دارند. همچنین هواکش های محوری معمولاً شعاع بزرگتر و سرعت کمتری (ω) هم نسبت به فن های کانال دار دارند (البته با قدرت مشابه).