فن سانتریفیوژ یا فن گریز از مرکز، دستگاهی (هواکش) مکانیکی برای جابه جایی هوا یا سایر گازهاست. عبارت های "دمنده" و "فن قفس موش خرمایی" (به این دلیل که شبیه چرخ همستر است)، مترادف های متداولی هستند. این فن ها سرعت و حجم جریان هوا را با پروانه های گردان افزایش می دهند.
فن های سانتریفیوژی با استفاده از انرژی جنبشیِ پروانه ها حجم جریان هوا را افزایش می دهند، که به نوبه خود آن ها را در برابر مقاومت مجراها، دمپر ها و سایر اجزا حرکت می دهد. فن های سانتریفیوژی هوا را بصورت شعاعی جابه جابه جا می کنند، که موجب تغییر جهت جریان هوا (معمولاً به میزان 90 درجه) می شود. این فن ها استوار، بی صدا، قابل اطمینان و قادر به کار کردن در شرایط متنوعی هستند.
فن های سانتریفیوژ دستگاه های جابه جایی ثابت یا حجم ثابت هستند، به این معنا که با سرعت فن ثابت، یک فن سانتریفیوژ حجم نسبتاً ثابتی از هوا را جابه جا می کند، نه جرم ثابتی را. این بدان معناست که سرعت هوا در یک سیستم ثابت است حتی اگر سرعت جریان جرم عبوری از فن ثابت نباشد.
فن های سانتریفیوژ دستگاه های جابه جایی مثبت نیستند. فن های سانتریفیوژ در مقایسه با دمنده های جابه جایی مثبت مزایا و مضراتی دارند.
فن های سانتریفیوژی یکی از پرمصرف ترین انواع هواکش ها هستند. فن های سانتریفیوژ امروزه با اختلاف فراوان مرسوم ترین نوع هواکش مورد استفاده در صنعت HVAC است. این هواکش ها اغلب از هواکش های محوری ارزان تر هستند و ساختار ساده تری دارند. این فن ها در انتقال گاز یا مواد و سیستم های تهویه ساختمان ها و وسایل نقلیه استفاده می شوند. این فن ها همچنین برای فرایندهای صنعتی و سیستم های کنترل آلودگی هوا مناسب هستند.
فن سانتریفیوژی جسمی استوانه ای شکل متشکل از تعدادی تیغه هواکش سوار بر یک هاب است. همانطور که در شکل انیمیشنی دیده می شود، هاب یک میله کاردان را که در یاطاقان های بدنه فن نصب شده، روشن می کند. گاز از طرف چرخ هواکش وارد می شود، 90 درجه گردش می کند و با جریان روی تیغه های فن به دلیل وجود نیروی سانتریفیوژی (گریز از مرکز) شتاب می گیرد و از محفظه فن خارج می شود.
تاریخچه فن سانتریفیوژ
اولین اشاره به فن های سانتریفیوژی در 1556 توسط جورج پاور (به لاتین Georgius Agricola) در کتاب وی De Re Metallica انجام گرفت، که در آن نشان می دهد چگونه چنین هواکش هایی برای تهویه معادن استفاده می شدند. از آن پس، این فن ها رفته رفته از رواج افتادند. در دهه های آغازین قرن نوزدهم علاقه به فن های سانتریفیوژی احیا شد. در 1815 مارکویس دِ چابانس (Marquis de Chabannes) استفاده از فن های سانتریفیوژی را تشویق و حق اختراع بریتانیایی آن را در همان سال ثبت کرد. در 1827، ادوین آ. استوانز از بوردنتون، نیوجرسی، هواکشی را برای دمیدن هوا به داخل دیگ های کشتی بخار آمریکای شمالی نصب کرد. بطور مشابه در 1832 مهندس امریکایی-سوییسی جان اریکسون از یک فن سانتریفیوژی به عنوان دمنده در کشتی بخار کورسر استفاده کرد. یک فن سانتریفیوی توسط مهندس نظامی روس الکساندر سابلوکوف در 1832 اختراع شد، و هم در صنایع سبک روسیه (مثل ساخت شکر) و هم خارج از این کشور استفاده شد.
یکی از مهمترین دستاوردها برای صنعت معدن، هواکش گیبال بود، که توسط مهندس فرانسوی تئوپین گیبال در 1862 در بلژیک به ثبت رسید. هواکش گیبال دارای یک بدنه مارپیچ حول تیغه های هواکش، و نیز یک شاتر انعطاف پذیر برای کنترل سرعت فرار بود، چیزی که آن را نسبت به طراحی های فن باز قبلی بسیار برتر می نمود و امکان استخراج در اعماق زیاد را فراهم می کرد. چنین هواکش هایی برای تهویه معادن در بریتانیا استفاده گسترده ای داشتند.
ساختار فن سانتریفیوژ
قسمت های اصلی هواکش سانتریفیوژی عبارت اند از:
- بدنه هواکش
- پروانه ها
- مجراهای ورودی و خروجی
- میله کاردان
- مکانیزم هدایت
سایر اجزای مورد استفاده می توانند از یاطاقان ها، کوپلینگ ها، دستگاه قفل کن پروانه، محفظه تخلیه هواکش، صفحه های ضامن میله و غیره تشکیل شده باشد.
اجزای فن سانتریفیوژ:
مکانیزم های محرکه (Drive mechanisms)
محرک سازی فن، سرعت چرخ هواکش (پروانه) و گستره تغییرات این سرعت را تعیین می کند. سه نوع محرک سازی اساسی برای فن وجود دارند.
مستقیم
چرخ هواکش را می توان مستقیماً به میله یک موتور الکتریکی متصل نمود. این بدان معناست که سرعت چرخ هواکش مشابه سرعت چرخشی موتور است. با این نوع مکانیزم محرکه هواکش، سرعت فن را نمی توان تغییر داد مگر آن که سرعت موتور قابل تنظیم باشد. تهویه مطبوع بطور خودکار سرعت بیشتری را تامین می کند زیرا هوای سرد چگال تر است.
برخی تولیدکننده های وسایل الکترونیکی فن های سانتریفیوژی با موترهای گردان خارجی ساخته اند (استاتور درون روتور است)، و روتور مستقیماً روی چرخ هواکش (پروانه) سوار می شود.
کمربند
تعدادی قرقره روی میله موتور و میله چرخ هواکش سوار می شوند و یک کمربند، انرژی مکانیکی را از موتور به فن منتقل می کند.
سرعت چرخ فن به نسبت قطر قرقره موتور به قطر قرقره چرخ هواکش بستی دارد و می توان آن را از معادله زیر بدست آورد:
که در آن
rpmfan برابر است با سرعت چرخ فن، دور در دقیقه
rpmfan برابر است با سرعت اسمی موتور، دور در دقیقه
Dfan برابر است با قطر قرقره موتور
Dmotor برابر است با قطر قرقره چرخ هواکش
سرعت چرخ هواکش در هواکش های کمربند دار ثابت است مگر اینکه کمربند(ها) بلغزد. لغزش کمربند می تواند سرعت چرخ فن را تا چند صد دور در دقیقه (rpm) کاهش دهد.
متغیر
فن های محرک متغیر ممکن است از کوپلینگ های مغناطیسی یا هیدرولیکی استفاده کنند (میان میله چرخ فن و میله موتور) که تغییر سرعت را ممکن می سازد. کنترل های سرعت فن اغلب در سیستم های اوتومات ادغام می شوند تا سرعت مطلوب چرخ فن حفظ شود.
روشی دیگر برای تغییر سرعت فن استفاده از یک محرک سرعت متغیر الکترونیکی برای کنترل سرعت موتوری است که فن را تحریک می کند. این کار بازدهی انرژی کلی بیشتری نسبت به کوپلینگ های مکانیکی ارائه می کند، به ویژه در سرعت های به شدت کاهش یافته.
یاطاقان
یاطاقان بخش مهمی از یک فن است. یاطاقان های روغنی آستین حلقه ای در فن ها استفاده گسترده ای دارند. برخی یاطاقان های آستین حلقه ای را می توان با آب خنک کرد. یاطاقان های آستین حلقه ای که با آب خنک کاری می شوند اغلب زمانی استفاده می شوند که فن گازهای داغ را جابه جا می کند. حرارت از میله و به درون روغن هدایت می شود، که برای جلوگیری از جوش آمدن (overheating) یاطاقان باید خنک شود. در فن های سرعت پایین یاطاقان ها در نقاط دور از دسترس قرار دارند، لذا از یاطاقان های گریس دار استفاده می شود.
بسیاری از دمنده های توربو یا از یاطاقان هوا یا از یاطاقان مغناطیسی استفاده می کنند.
دمپر و پره های هواکش
دمپرهای فن برای کنترل جریان گاز به داخل و بیرون فن سانتریفیوژی استفاده می شوند. می توان این دمپرها را در سمت ورودی یا خروجی فن، یا هردو طرف نصب کرد. دمپرهای سمت خروجی مقاومت جریانی به وجود می آورند که برای کنترل جریان گاز استفاده می شود. دمپرهای سمت ورودی (پره های ورودی) به گونه ای طراحی شده اند که با تغییر میزان گاز یا هوای ورودی به فن، جریان گاز را کنترل کنند.
دمپرهای ورودی (پره های ورودی) مصرف انرژی فن را به دلیل توانایی اثرگذاری روی تعداد تیغه های فن متصل شده، کاهش می دهند. تیغه های فن روی هاب را می توان به سه طریق مختلف چینش کرد: خمیده به جلو، خمیده به عقب یا شعاعی.
خمیده به جلو
تیغه های خمیده به جلو، مثل شکل 3a، در جهت گردش چرخ فن خم می شوند. این تیغه ها به ویژه نسبت به ذرات حساس هستند. تیغه های خمیده به جلو صدای پایین و جریان هوای نسبتاً کوچکی با افزایش فشار استاتیک ایجاد می کنند.
خمیده به عقب
تیغه های خمیده به عقب، مثل شکل 3b، خلاف جهت گردش چرخ فن خم می شوند. دمنده های کوچکتر ممکن است دارای تیغه های مایل به عقب باشند، که صاف هستند نه خمیده. دمنده های بزرگترِ خمیده یا مایل به عقب دارای تیغه هایی هستند که انحنای روبه عقب آن ها شبیه سطح مقطع ماهیواره (airfoil) است، اما هر دو طراحی بازدهی عملکردی خوبی را با تکنیک های ساختاری نسبتاً مقرون به صرفه ارائه می کنند. این نوع دمنده ها برای کنترل جریان های گازی با بار ذره ای کم تا متوسط طراحی شده اند. به راحتی می توان آن ها را در مقابل فرسودگی مقاوم نمود اما برخی انحناهای تیغه ای ممکن است در مقابل انباشتگی جرم آسیب پذیر باشند. چرخ های خمیده به عقب اغلب سنگین تر از معادل های خمیده به جلوی خود هستند، زیرا در سرعت های بالاتری کار می کنند و به ساختار قوی تری نیاز دارند.
فن های خمیده به عقب می توانند گستره وسیعی از سرعت ها را پوشش دهند اما بیشتر برای کاربردهای با سرعت متوسط مشخص، فشار بالا و جریان متوسط استفاده می شوند.
فن های خمیده به عقب بازدهی انرژی بسیار بیشتری نسبت به فن های تیغه شعاعی دارند و لذا، برای کاربردهای توان بالا جایگزین مناسبی برای فن های تیغه شعاعی ارزان تر هستند.
شعاعی صاف
دمنده های شعاعی مثل شکل 3c، دارای چرخ هایی هستند که تیغه های آن صاف از مرکز هاب خارج شده اند. چرخ های تیغه شعاعی اغلب برای جریان های گازی پر از ذره استفاده می شوند زیرا کمترین حساسیت را نسبت به انباشتگی جرم روی تیغه ها دارند، اما اغلب با صدای خروجی بیشتری همراه هستند. سرعت های بالا، حجم های کم و فشارهای زیاد در دمنده های شعاعی متداول هستند، و اغلب در جارو برقی ها، سیستم های انتقال مواد بادی و فرایندهای مشابه استفاده می شوند.
اصول عملکرد فن سانتریفیوژ
فن سانتریفیوژ از توان سانتریفیوژی تغذیه شده از گردش پروانه ها برای افزایش انرژی جنبشی هوا یا گازها استفاده می کند. هنگامی که پروانه ها گردش می کنند، ذرات گازی نزدیک به پروانه ها از پروانه ها پرت می شوند، سپس به داخل محفظه فن حرکت می کنند. در نتیجه، به دلیل مقاومت سیستم به جهت وجود محفظه و مجرا، انرژی جنبشی گاز مثل فشار اندازه گیری می شود. سپس گاز از طریق مجراهای خروجی به بیرون هدایت می شود. پس از اینکه گاز خارج شود، فشار گاز در مرکز ناحیه پروانه ها کاهش می یابد. گاز از چشم پروانه به سرعت وارد می شود تا این وضع را نرمال کند. این چرخه تکرار می شود و بنابراین گاز را می توان بطور پیوسته انتقال داد.
مثلث سرعت
نموداری به نام مثلث سرعت به ما در تعین هندسه جریان در ورودی و خروجی یک تیغه کمک می کند. داده های اندکی برای رسم یک مثلث سرعت در نقطه ای روی تیغه مورد نیاز است. مولفه ای از سرعت در نقاط مختلف روی تیغه، به دلیل تغییراتی در جهت جریان، تغییر می کند. لذا بی شمار مثلث سرعت برای یک تیغه مشخص قابل رسم هستند. برای توصیف جریان با استفاده از تنها دومثلث سرعت، مقادیر میانگین سرعت و جهت آن ها را تعریف می کنیم. مثلث سرعت هر ماشین توربویی، همانطور که نشان داده شده، دارای سه مولفه است:
- سرعت تیغه U
- سرعت نسبی
- سرعت مطلق V
این سرعت ها با قانون مثلثی جمع بردارها به هم مرتبط می شوند:
این معادله نسبتاً ساده در رسم نمودار سرعت مرتب استفاده می شود. نمودار سرعت برای تیغه های صفحه روبه جلو و عقب نشان داده شده، توسط این قانون رسم شده اند. زاویه زاویه ساخته شده توسط سرعت مطلق با جهت محوری و زاویه زاویه ساخته شده توسط تیغه با جهت محوری است.
تفاوت میان هواکش ها و دمنده ها
خاصیتی که یک فن سانتریفیوژی را از یک دمنده متمایز می کند نرخ فشاری است که می تواند بدست آورد. بطور کلی، دمنده می تواند نرخ فشار بالاتری را تولید کند. طبق قوانین انجمن مهندسان مکانیک امریکا (ASME) نرخ ویژ – نسبت فشار تخلیه به فشار مکش – برای تعریف فن ها و دمنده ها استفاده می شود
|
تفاوت میان فن ها و دمنده ها |
||
| Equipment | Pressure Ratio | Pressure rise (mm H2O) |
|---|---|---|
| Fans | Up to 1.1 | 1136 |
| Blowers | 1.1 to 1.2 | 1136-2066 |
رتبه بندی ها
رتبه بندی های دیده شده در جدول ها و منحنی های عملکرد فن های سانتریفیوژی بر SCFM هوای استاندار مبتنی است. تولید کننده های هواکش هوای استاندارد را به عنوان هوای تمیز و خشک با چگالی 0.075 پوند جرم بر فوت مکعب (1.2 کیلوگرم بر متر مکعب) با فشار جوی 29.92 اینچ جیوه (101.325 کیلوپاسکال) در سطح دریا و دمای 70 درجه فارنهایت (21 درجه سلسیوس) تعریف می کنند. انتخاب یک فن سانتریفیوژی برای کار در شرایطی متفاوت با هوای استاندار نیازمند تنظیماتی هم در فشار ایستا و هم در توان است.
در ارتفاع بالاتر از استاندارد (سطح دریا) و دمای بالاتر از استاندارد، چگالی هوا کمتر از چگالی استاندارد است. اصلاحات چگالی هوا برای فن های سانتریفیوژی که برای کار ممتد در دماهای بالاتر در نظر گرفته شده اند باید انجام گیرد. فن سانتریفیوژی حجم ثابتی از هوا را در یک سیستم مفروض، صرف نظر از چگالی، جابه جا می کند.
هنگامی که یک فن سانتریفیوژی برای یک CFM داده شده و فشار ایستا در شرایط غیر استاندارد در نظر گرفته می شود، برای انتخاب فن با اندازه مناسب جهت سازگاری با شرایط جدید، باید اصلاحی برای چگالی هوا اِعمال شود. از آنجایی که دمای 200 درجه فارنهایت (93 درجه سلسیوس) وزنی معادل با تنها 80 درصد هوای 70 درجه فارنهایت (21 درجه سلسیوس) دارد، فن سانتریفیوژی فشار کمتری تولید می کند و به توان کمتری نیاز دارد. برای دست یابی به فشار واقعی در 200 درجه فارنهایت (93 سلسیوس) طراح باید فشار در شرایط استاندارد را در ضریب اصلاح چگالی هوا 1.25 (یعنی ) ضرب کند تا سیستم بطور صحیح عمل کند. برای دست یابی به توان واقعی در 200 درجه فارنهایت (93 سلسیوس) طراح باید توان در شرایط استاندارد را بر ضریب اصلاح چگالی هوا تقسیم کند.
انجمن کنترل و جابه جایی هوا (AMCA)
جدول های عملکرد فن سانتریفیوژی ملزومات RPM و توان فن را برای CFM و فشار استاتیک داده شده در چگالی هوای استاندارد تعیین می کنند. هنگامی که کارکرد فن سانتریفیوژی در شرایط استاندارد نباشد، قبل از ورود به جداول، عملکرد باید به شرایط استاندارد تبدیل شود. فن های سانتریفیوژی طبقه بندی شده توسط انجمن کنترل و جابه جایی هوا (AMCA)، درآزمایشگاه هایی با تجهیزات آزمایشی که تاسیسات متعارف برای آن نوع فن را شبیه سازی می کنند مورد آزمایش قرار می گیرند. معمولاً فن ها به عنوان یکی از چهار نوع استاندارد تاسیساتی تعیین شده در استاندارد 210 AMCA آزمایش و طبقه بندی می شوند.
استاندارد 210 AMCA روش های یکنواختی را برای انجام تست های آزمایشگاهی روی فن های محفظه دار جهت تعین نرخ جریان هوا، فشار، توان و بازدهی در یک سرعت گردش مشخص تعریف می کند. هدف از استاندارد 210 AMCA تعریف فرایندها و شرایط دقیق آزمایش فن است تا دسته بندی های انجام شده توسط تولیدکنندگان گوناگون پایه و اساس یکسانی داشته و قابل مقایشه باشند. به این دلیل، فن ها باید در SCFM استاندارد شده درجه بندی شوند.
تلف شدگی ها
فن های سانتریفیوژی از اتلاف بازدهی هم در اجزای ثابت و هم در اجزای متحرک رنج می برند، که موجب افزایش انرژی ورودی مورد نیاز برای یک عملکرد جریان هوای به خصوص می شود.
ورودی پروانه
جریان در ورودی و تغییر آن از حالت محوری به شعاعی موجب اتلاف در ورودی می شود. اصطکاک و جدایی جریان (flow separation) موجب اتلاف تیغه پروانه می شوند زیرا در زاویه وقوع تغییر ایجاد می شود. این اتلاف های تیغه پروانه نیز در همین دسته قرار می گیرند.
نشت
نشت مقداری هوا و اغتشاش در میدان جریان اصلی به علت فضای خالی ایجاد شده میان محیط پروانه گردان و محفظه در ناحیه ورود اتفاق می افتد.
پروانه
اصطکاک گذرگاه و جدایی جریان موجب اتلاف تیغه می شود که به سرعت نسبی، نرخ نفوذ، و هندسه تیغه بستگی دارد. تراز کردن دینامیک پروانه معمولاً روی یک دستگاه تراز دقیق انجام می شود، زیرا تمام انرژی عدم تعادل لرزشی از بین می رود (برای مثال، این مورد می تواند 50% از اتلاف جریان هوا را در دستگاه های AC خانگی که به خوبی نگه داری نشده اند تشکیل دهد).
پخش کننده و پیچک
اصطکاک و جدایی جریان همچنین موجب اتلاف هایی در پخش کننده (دیفیوزر) می شود. اگر دستگاه در شرایط غیر از شرایطی که برای آن طراحی شده کار کند، اتلاف بیشتری اتفاق می افتد. جریان از پروانه یا پخش کننده در پیچک گسترش پیدا می کند، که سطح مقطع بزرگتری دارد و منجر به تشکیل گرداب می شود، که به نوبه خود ارتفاع فشار را کاهش می دهد. اتلاف های مربوط به جدایی جریان و اصطکاک به علت گذرگاه پیچک نیز رخ می دهد.
اصطکاک دیسک
نیروی پسای گرانرو روی سطح پشتی دیسک پروانه موجب اتلاف به دلیل اصطکاک دیسک می شود.
شرکت فنی و مهندسی ایمن یار با داشتن تیمی مجرب و کارآزموده آماده همکاری و همچنین فروش، نصب و راه اندازی انواع فن سانتریفیوژ می باشد.
برای ارتباط با مشاورین ایمن یار از طریق منوی تماس با ما اقدام بفرمایید.