فن ها
فنها
فنها به طور گستردهای در صنایع و کاربردهای تجاری استفاده میشوند. به طور کلی میتوان موارد زیر را به عنوان کاربردهای عمده فن بیان نمود:
1 - خروج گرد و غبار، رطوبت، گازهای نامطلوب و میکرو اورگانیسمهای بیماریزا و در سیستمهای تهویه و خروج گازهای احتراق (تهویه)
2 – ایجاد سرمایش در مناطق مختلف مانند خنکسازی آب در برجهای خنککن و یا خنکسازی هوا در صنایع نیروگاهی و فرآیندی (خنک کاری)
3 - ورود اکسیژن و یا هوا به فضای بسته مانند استفاده در سیستمهای احتراق جهت تامین هوای مورد نیاز
4 – انتقال مواد
به طور معمول فنها و پمپها بیش از یک چهارم انرژی الکتریکی مصرفی در یک کارخانه را به خود اختصاص میدهند. با توجه به نقش فنها در صنعت و همچنین پتانسیل صرفهجویی بالای آنها، آشنایی با این تجهیزات از اهمیت بالایی برخودار است.
اجزای فن
به طور کلی سیستم فن شامل اجزایی چون موتور الکتریکی (محرک) ، مجرای ورودی و لولهها، دستگاه کنترل جریان و تجهیزات تهویه هوا (فیلترها، کویلهای خنک کننده و مبدلهای حرارتی) میباشد 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 میروند.
1. محرک
به طور کلی برای به حرکت درآوردن فن، 4 روش وجود دارد:
1- موتور الکتریکی
2- موتور احتراقی (Engine )
3- توربین
4- جت هوای فشرده
موتورهای الکتریکی نسبت به سایر موارد بیشتر استفاده شده و معمولا با جریان متناوب (AC ) کار میکنند.
بیشتر فنهای صنعتی دارای موتورهای القایی بوده و با توان 3 فاز 240 یا 480 ولت تغذیه میشوند که به دلیل امکان ایجاد افت ولتاژ در سیستمهای توزیع، ولتاژ موتورها در ولتاژهای 230 یا 240 که کمتر از منایع تغذیه است، میباشد. یکی از مشخصههای موتور فنها، قابلیت سرعت متغیر است. از آنجاییکه عملیات تهویه و جابجایی هوا عملیات متغیری میباشد ، بهتر است سرعت فن قابل تنظیم بوده و موتور قادر باشد در سرعتهای 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 میبایست از ADS (adjustable speed drive) استفاده نمود. درایوهای مستقیم بیشتر در فنهای کوچک بکار برده میشوند.
در درایوهای تسمهای 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 میباشد. کنترلر دارای مکانیسم سوییچ بوده که با دریافت جریان سوییچ on/off ، سیمپیچ موتور را به منبع تغذیه قطع و وصل مینماید.
2. پرههای فن
پرههای فن از مهمترین اجزای فن بوده که با طراحی ایرودینامیکی ، سبب میشود هوای بیشتری انتقال یابد. همچنین فاصله کمتر بین سر پرهها از یکدیگر (blade tip clearance ) بازده را 10 تا 15% افزایش میدهد.
3. کانالهای هوا(Ductwork)
برخی از فنها، کانالهای ورودی و خروجی داشته که هوا از داخل آنها عبور میکند. این کانالها به شکلهای مختلف دایرهای و مستطیلی بوده و در سیستمهای کمفشار، از ورقههای فلزی ساخته میشوند اما در سیستمهای پرفشار از pipeها که دارای استحکام بیشتری هستند، استفاده میشود.
مساحت سطح کانالها تاثیر زیادی بر بازده فن داشته و بر روی مقدار حرارتی که با محیط تبادل میشود، تاثیر میگذارد.
در کانالهای دایرهای در مقایسه با کانالهای مستطیلی، مساحت سطوح جانبی نسبت به سطح مقطع کمتر بوده و در نتیجه نشتی هوا نیز کمتر میباشد، از دیگر فاکتورهای تاثیرگذار در میزان نشتی از کانالها، نوع درزبندی و تعداد درزها در واحد طول کانال است.
محفظههای ورودی بزرگ، قیمت بالاتری دارند، اما به دلیل کمتر بودن اصطکاک و وجود فضای بزرگتر برای ورود جریان، مصرف انرژی کمتری دارند.
4. ابزارکنترل جریان ورودی
وسایل کنترل کننده جریان شامل دمپرهای ورودی و خروجی و پرههای ورودی فن هستند.
پرههای ورودی، به دو طریق خروجی فن را کنترل میکنند: ایجاد چرخش در هوای ورودی و محدود کردن میزان هوایی که وارد فن میشود. باید توجه نمود که جهت باز شدن دمپرها و پرههای ورودی میبایست با جهت چرخش پرههای فن، یکی باشد. وجود این پیشچرخندهها، توان مصرفی فن را کاهش میدهند 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 سرج، 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 میکنند. از آنجاییکه دمپرهای خروجی تغییری در شرایط هوای ورودی ندارند، تاثیری در میزان کاهش توان مصرفی نیز نخواهند داشت.
پرههای فن معمولا دارای یک سطح صاف و یک سطح منحنی شکل هستند که به آنها ایرفویل گفته میشود. لبهی پهن انتهایی ایرفویل، leading edg نام دارد و به لبه باریک ابتدایی آن نیز trailing edge گفته میشود. لبه ابتدایی و انتهایی توسط خطی فرضی به نام وتر به یکدیگر متصل میشوند. زاویه بین وتر و سرعت هوای ورودی، زاویه تماس نامیده میشود.
هنگامیکه هوا وارد یک زانویی با سطح مقطع مستطیلی میگردد، 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 مینماید.
چنانچه سطح پایینی برداشته شود، پروفایل جریان کمابیش شکل قبلی خود را حفظ مینماید 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 مینماید اما به دلیل فشار منفی و خلائ نسبی که در ناحیه مجاور سطح پایین بوجود میآید، خطوط جریان به سمت پایین کشیده میشوند. نتیجهای که میتوان گرفت این است که سطوح منحنی، خطوط جریان را همواره به سمت خود نزدیک می نمایند.
هنگامیکه پره در هوا به حرکت درمیآید، در سطح بالایی آن فشار منفی و در سطح پایینی آن فشار مثبت ایجاد میگردد. در نتیجه نیرویی به پره وارد میشود که مولفه افقی آن نیروی درگ و مولفه عمودی آن نیروی لیفت نام دارد. نیروی لیفت در فنهای محوری، جریان هوا را منحرف کرده و باعث ایجاد فشار استاتیک فن میگردد. نسبت نیروهای لیفت و درگ با تغییر زاویه تماس، تغییر میکند که بسته به نوع کاربرد فن (تولید فشار و یا جریان بالا و یا داشتن بازده مناسب)، شکل ایرفویل تغییر داده میشود.
در مواردی برای جلوگیری از جرم گرفتگی پره در جریانهای حاوی ذرات جامد، به جای پرههای ایرفویل از پرههای معمولی که قیمت کمتری دارند استفاده میشود. با این وجود، به دلیل کم بودن نیروی لیفت نسبت به نیروی درگ در این پرهها و ضریب لیف پایین، فشارهای تولیدی در این نوع پرهها کمتر میباشد.
انواع فن
1- فنهای محوری
فنهای محوری، همانطور که از نامشان پیداست، جریان هوا را در طول محور خود به حرکت درمیآورند. هوا پس از عبور از پرهها، در اثر نیروی لیفت حاصل از ایرودینامیک، پرفشار شده و تغییر مسیر میدهد و پس از عبور از مسیر خروجی مجددا تغییر جهت داده و در نهایت در مسیر سرعت ورودی به فن، از آن خارج میشود.
فنهای پروانهای (propeller)
فنهای پروانهای، سادهترین نوع فنهای محوری هستندکه برای تولید جریانهای بالا و فشار کم کاربرد داشته و اغلب در سیستمهای تهویه مورد استفاده قرار میگیرند. از آنجاییکه فشار تولیدی این فنها کم است نیاز به کانالها و مجراهای بزرگ ندارند و به دلیل ساختار ساده پروانه که معمولا دارای دو یا چند تیغه از جنس سبک است، هزینه این فنها پایین بوده و همچنین قادرند جریان را در جهت معکوس نیز تولید کنند که این امر در کاربردهای تهویهای دارای اهمیت زیادی میباشد. این فنها را میتوان 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.
فنهای محوری-لولهای (Tubeaxial)
فنهای محوری-لولهای، نوعی از فنهای محوری هستند که پرههای فن در محفظه سیلندری قرار دارد. در این فنها، با بهبود مشخصههای جریان ورودی، فشار و بازده بالاتری حاصل میگردد. این فنها برای تولید فشارهای متوسط و جریانهای بالا بکار میروند.
فنهای محوری-پرهای (Vaneaxial Fans)
فنهای محوری-پرهای، نوع پیچیدهتری از فنهای محوری هستند که پرهها داخل لوله استوانهای بگونهای قرار دارند که با تغییر الگوی جریان، و انرژی جنبشی جریان ورودی را به فشار تبدیل میکنند.
این فنها نسبت به سایر فنهای محوری بیشترین بازده را داشته و برای تولید فشارهای متوسط تا بالا مورد استفاده قرار میگیرند. چنانچه پرههای آنها از نوع airfoil باشد بازده آنها بیش از 85% خواهد بود.
2- فنهای سانتریفوژ
فنهای سانتریفوژ معمولترین نوع فنهای مورد استفاده در صنایع هستند. در این فنها، هوا از بخش پروانه به سمت پرهها حرکت کرده و انرژی جنبشی آن زیاد میشود. این انرژی جنبشی قبل از ورود به بخش discharge به انرژی فشاری تبدیل شده و در نتیجه فشار هوا بالا میرود. فنهای سانتریفوژ برای جریانهای حاوی ذرات (رطوبت و گرد و غبار)، برای انتقال مواد و همچنین برای سیستمهای دارای دمای بالا کاربرد دارد.
این فنها قادرند فشارهای بالا را با بازده زیاد تولید کرده و با بیشتر شرایط فرایندهای سازگاری دارند که این یکی از مزیتهای مهم میباشد. فنهای سانتریفوژ بسته به نوع پره به چند دسته زیر تقسیم میشوند:
پرههای ایرفویل (AF )
انحنا رو به عقب ( BC )
صاف رو به عقب ( BI )
مستقیم در نوک ( RT )
انحنا رو به جلو ( FC )
شعاعی ( RB )
فنهای سانتریفوژ با پرههای ایرفویل بهترین راندمان کاری و کمترین تولید صدا را در بین انواع مختلف فنهای سانتریفوژ دارند.
فنهای BC دارای راندمان کمتری نسبت به فنهای ایرفویل بوده و میتوانند گازهای که دارای ذرات هستند را انتقال دهند. چنانچه غلظت مواد درون گاز بالا باشد پرههای شعاعی یا مستقیم در نوک مناسب هستند.
فنهای FC در مقایسه با فنهای BC در اندازه یکسان دبی کمتر و فشار بیشتری تولید کرده و راندمان پایینتری دارند. فنهای رو به جلو در جاهایی که فضای اشغال شده اهمیت داشته باشد استفاده میشوند. فنهای RB راندمان کمی دارند ولی از لحاظ ساخت سادهتر 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 میتوان مقدار انرژی مصرف شده توسط موتور و در نتیجه هزینه عملیاتی فن را محاسبه نمود، دارای اهمیت زیادی میباشد. محاسبه توان فن با استفاده از جریان و فشار خروجی که از طریق فن به جریان داده شده صورت میپذیرد. حاصلضرب 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 میگردد.
برای سیستم انگلیسی، جهت تبدیل واحدها gc ، نیز به رابطه استفاده میگردد.
از آنجاییکه راندمان فن بصورت توان تولید شده توسط فن بر توان خروجی موتور بیان میگردد، 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 میتوان بدست آورد.
یکی دیگر از روشهای محاسبه توان مصرفی موتور بر حسب کیلووات استفاده از دادههای 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 فنها
جهت بهبود کارایی فن میبایست نیازمندیهای 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 میپذیرد، به دو دسته تقسیمبندی میشود. دسته اول اقداماتی است که قبل ازخرید و نصب فن صورت میپذیرد که این اقدامات شامل انتخاب فن مناسب، طراحی مناسب مسیر مجراهای عبور هوا، انتخاب تجهیزات فرایندی منطبق با نیازمندیها و مواردی از این قبیل میباشد. دسته دوم اقداماتیست که پس از نصب فن انجام میشود.
به طور کلی با اعمال این تغییرات میتوان تا حد زیادی در مصرف انرژی صرفهجویی نمود.
1- انتخاب فن مناسب بر اساس نیازمندیها
2- استفاده از تجهیزات با راندمان بالا
3- کاهش زمان کارکرد غیرمفید فنها و استفاده از سیستم کنترل روشن-خاموش
4- تنظیم ظرفیت تولیدی فن بر اساس نیازمندیهای سیستم
5- شناسایی نشتیهای موجود در سیستم و رفع آنها
6- استفاده از کنترلرهای ASD جهت کنترل سرعت چرخشی فن و امکان تغییر ظرفیت فن
7- اقدامات تعمیر و نگهداری از جمله روانکاری و تمیزکاری فنها بصورت دورهای، بازرسی از تسمهها در درایوهای تسمهای و تعویض به موقع آنها
تعمیرات و نگهداری
به همان میزان که یک طراحی خوب و ایدهآل و در نظر گرفتن تمامی نکات ضروری حین عملیات فن باعث افزایش کارایی سیستم میگردد، تعمیر و نگهداری مناسب و دورهای نیز در بازدهی بالای فنها موثر بوده و علاوه بر افزایش ایمنی سیستم وکاهش هزینههای عملیاتی، از بروز خطرهای غیرقابل پیشبینی و صدماتی که منجر به تعمیرات اساسی سیستم میگردد جلوگیری مینماید.
وجود یک برنامه منظم و دورهای بازرسی، استفاده از ابزارهایی که وضعیت تجهیزات را مورد بررسی قرار میدهند، ثبت مشاهدات بازرسی برای برنامه ریزی اقدامات تعمیر و نگهداری، داشتن تاریخچهای از تعمیرات تجهیزات و مشاهدات اپراتورها و در نهایت تعمیر یا جایگزینی تجهیزات در صورت نیاز از روند انجام نگهداری پیشگیرانه میباشد. برنامههای 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 تسمهها
در درایوهای تسمهای، تسمه یکی مهمترین قسمت فن جهت بازرسی میباشد. به مرور زمان تسمه فرسوده شده و خاصیت کشسانی آن نیز کم میشود در نتیجه بازده انتقال نیرو کاهش مییابد. حتی تسمههای جدید نیز 5 تا 10% افت بازده دارند که با فرسایش تسمه، افت بازده بیشتر نیز خواهد شد.
تمیز کاری فن
وجود جرم در پرهها و سایر سطوح فن باعث کاهش بازدهی آن خواهد شد از طرفی دیگر بدلیل آنکه این جرمها بصورت یکنواخت نیستند، ممکن است باعث عدم تراز بودن فن و فرسودگی درایو گردند به همین دلیل تمیزکاری متناوب فنها 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
بازرسی و روانکاری مدوام یاتاقانها بر اساس توصیههای سازنده یکی از اقدامات مهم نگهداری بوده و عدم انجام بموقع آن علاوه بر ایجاد سر و صدا، خطر گیرکردن یاتاقانها را نیز بهمراه دارد. قبل از روانکاری میبایست فنها را تمیز نموده و از کیفیت مناسب روغن و گریس مورد استفاده اطمینان حاصل نمود. باید توجه داشت که گریسکاری بیش از اندازه، باعث گرم شدن یاتاقانها شده و مانع از حرکت مناسب آنها میشود. تجزیه و تحلیل vibration و آنالیز روغن در یاتاقانهای روانکاری شده، به بررسی شرایط یاتاقان کمک کرده و بدین ترتیب میتوان زمان مناسب جهت تعویض یاتاقانها را معین نمود.
تعویض موتور
با توجه به اینکه همه موتورها عمر مشخصی دارشته و استفاد بیشتر از آنها باعث کاهش بازده فن و شکستگی عایق سیمپیچ میگردد، باید نسبت به تعویض سیمپیچ و یا کل موتور اقدام نمود. تصمیمگیری در مورد تعمیر و یا تعویض موتور به فاکتورهای زیادی وابسته است که از آن جمله میتوان 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 سیمپیچ موتور آسیب میرساند. در صورت تعویض موتور، بهتر است از موتورهای با بازده بالا که معمولا 3 تا 8% بیشتر از حالت استاندارد کارایی دارند، استفاده شود.
نظرات بازدیدکنندگان