فن‌های سانتریفیوژ (Centrifugal Fans)

• کاربردهای فن‌های سانتریفیوژ
• اجزای اصلی این فن‌ها 
• پره‌های فن
• مکانیزم نیروی محرکه
• اصول عملکرد
• تفاوت بین فن‌ها و دمنده‌ها
• تلفات انرژی در فن سانتریفیوژ

فن سانتریفیوژ(Centrifugal Fans) فنی است که به منظور جابجایی سیال (هوا و یا سایر گازها) از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌کند. به همین دلیل به این فن­ها، فن گریز از مرکز هم گفته می­شود. فن‌های سانتریفیوژ معمولا یک محفظه به شکل کانال دارند که جریان هوای خروجی را به سمت مسیر دلخواه هدایت کنند. می­توان گفت راستای جریان خروجی بر راستای محور پروانه عمود است.  از انواع کوچک فن‌های سانتریفیوژ در کامپیوترها استفاده می‌شود. از این فن‌ها معمولا در مکان‌هایی که به صورت کانالی طراحی شده‌اند استفاده می‌شود تا هوا را از مسیر کانال یا مبدل حرارتی به سمت بیرون کشیده و یا هوا را در مسیرهای مشابه فشار دهد. در حجم جابجایی هوای مشابه، فن‌های سانتریفیوژ نسبت به فن‌های محوری از اندازه کوچکتری برخوردار هستند و می‌توانند مقاومت بیشتری نسبت به جریان‌های هوا داشته باشند. در این نوع فن‌ها فشار هوای ورودی توسط پره‌های فن افزایش می‌یابد.

فن‌های سانتریفیوژ(Centrifugal Fans) مانند فن‌های محوری دستگاه‌های حجم ثابتی هستند. فن‌های سانتریفیوژ با سرعت ثابت فن می‌توانند حجم هوای ثابتی را به بیرون هدایت ‌کنند. به معنی که سرعت هوای خروجی از این فن‌ها به صورت ثابت است و تغییری نمی‌کند اما حجم هوای خروجی با توجه به چگالی هوا می‌تواند متغیر باشد و ثابت نیست. تغییرات حجم هوا می‌تواند دلایل متعددی مانند تغییرات دمای هوای ورودی به فن ویا تغییر ارتفاع از سطح دریا داشته باشد که باعث می‌شود استفاده از فن‌های سانتریفیوژ در مکان‌هایی که به جرم هوای ثابت نیاز دارد، امکانپذیر نباشد.

فن‌های سانتریفیوژ (Centrifugal Fans) از نوع جابجایی مثبت نیستند و در مقایسه با آن‌ها دارای مزایا یا معایبی هستند. فن‌های سانتریفیوژ در مقایسه با دمنده‌های جابجایی مثبت دارای بازدهی بیشتری هستند در صورتیکه دمنده‌های جابجایی مثبت دارای هزینه اولیه (سرمایه گذاری) کمتری هستند و می‌توانند نسبت تراکم بیشتری داشته باشند. فن‌های سانتریفیوژ در کاربردهای مسکونی، صنعتی و تجاری با فن‌های محوری مقایسه می‌شوند. فن‌های محوری معمولا حجم هوای خروجی بیشتری داشته و تحت فشار استاتیکی کمتری کار می‌کنند و بازده بیشتری دارند و بنابراین از این نوع فن‌ها در مکان‌هایی که به جابجایی حجم زیادی از هوا نیاز است (مانند انبارهای بزرگ) استفاده می‌شود. اما از طرفی از فن‌های سانتریفیوژ در مکان‌هایی که کانال‌کشی شده‌اند (مانند خانه‌ها و فضاهای اداری) استفاده می‌شود.

کاربردهای فن‌های سانتریفیوژ

فن‌های سانتریفیوژ (Centrifugal Fans) به دلیل فشار بالایی که ایجاد می‌کنند، برای استفاده در سامانه‌های تهویه هوا و خشک‌کن‌ها ایده‌آل هستند. یه دلیل اینکه تمامی اجزای این نوع فن‌ها در محفظه بسته قرار دارند، می‌توان از آن‌ها در مکان‌هایی که هوا آلوده است و یا در سامانه‌های فیلتر هوا استفاده کرد. دیگر مزایای استفاده از فن‌های سانتریفیوژ عبارتند از:

بازده انرژی بالا: جریان هوای یکنواخت باعث می‌شود تا فن‌های سانتریفیوژ بتوانند انرژی تولید کنند که تا 84 درصد بازدهی استاتیک برسد. این درصدهای بالای بازدهی برای سامانه‌های تهویه هوای بزرگ بسیار مناسب است.

دوام بالا: این نوع فن‌ها دارای دوام بالایی هستند که باعث می‌شود بتوان از آن‌ها در محیط‌های خشن و فرسایشی استفاده کرد.

نگهداری راحت‌تر: متریال خاص استفاده شده در فن‌های سانتریفیوژ این امکان را می‌دهد که بتوانند به آسانی تمیز شوند.

قابلیت چند کاره بودن: از فن‌های سانتریفیوژ در چندین نوع شرایط جریان هوا و فشار می‌توان استفاده کرد. از آن‌ها می‌توان در انواع جریان‌های هوای تمیز، خشک و مرطوب استفاده کرد.

اندازه‌ها و سایزهای مختلف: این نوع فن‌ها در سایزها و اندازه‌های مختلف برای کاربری‌های مختلف تولید و عرضه می‌شوند. 

ساختار فن‌های سانتریفیوژ

اجزای اصلی این فن‌ها 

• محفظه فن یا حلزونی که پروانه در داخل آن قرار می‌گیرد؛
• پره‌ها که به شش نوع شعاعی (Radial)، خمیده رو به جلو (Forward Curved)، خمیده رو به عقب (Backward Curved) و پره­های ایرفویل (airfoil) تقسیم می‌شوند.
• کانال‌های ورودی و خروجی؛
• الکتروموتور که به عنوان نیروی محرکه پروانه عمل می‌کند.

موارد دیگری که در فن‌های سانتریفیوژ استفاده می‌شوند عبارتند از: یاتاقان‌ها، کوپلینگ‌ها، سیستم قفل پره‌ها و… می‌باشند.

پره‌های فن

پره‌های فن از یک توپی مرکزی و تعدادی تیغه که به آن متصل شده‌اند تشکیل شده است. موقعیت و شکل قرارگیری تیغه‌ها بر روی توپی مرکزی به سه حالت: خم رو به جلو، خم رو به عقب و شعاعی تقسیم می‌شود.

پره‌­های خم رو به جلو یا (Forward):

در این نوع پره‌هاکه به نام قفس سنجابی هم معروفند، خم در جهت چرخش پره‌ها قرار دارد (شکل 2 «الف»). این نوع فن‌ها که سرعت کمی دارند، کم سروصدا هستند و نسبت به ذرات معلق در هوا دارای حساسیت بیشتری می‌باشند (شکل 2 «ب») به همین دلیل اگر برای انتقال گرد و غبار و ذرات آلاینده بکار گرفته شوند، تجمع گرد و غبار در قسمت داخلی انحنای پره­ها، سبب برهم خوردن تعادل پره­ها می­شود. در نتیجه این فن­ها بیشتر در سامانه‌های تهویه مطبوع که دارای هوای تمیز هستند نصب می‌شوند. همچنین از این نوع فن‌ها در محل‌هایی که فشار هوای استاتیک کم ومتوسط نیاز است استفاده می‌شود (مانند سیستم­های گرمایشی و تهویه مطبوع). تعداد پره‌های این فن‌ها از دو نوع دیگر بیشتر است.

پره ­های خم رو به عقب (backward):

در این نوع پره‌ها، خم پره‌ها در جهت مخالف چرخش پره‌ها می‌باشد. در این نوع پره‌ها در هنگام کار، در قسمت جلوی پره‌ها فشار مثبتی ایجاد شده که جریان هوا را به بیرون فشار می‌دهد و در قسمت پشتی پره، فشاری منفی ایجاد شده که هوا را به درون محفظه مکش می‌کند تا دوباره توسط قسمت جلویی پره بعدی به بیرون منتقل شود. پره‌های خم رو به عقب به دلیل بازدهی، سرعت و فشار کاری بالا و صدای کم نسبت به سایر فن­های سانتریفیوژ که دارند در سامانه‌هایی که در آن‌ها بازدهی یک مؤلفه کلیدی است استفاده می‌شوند. مزیت دیگر این فن­ها توانایی در انتقال ذرات معلق در هواست. از این نوع پره‌ها در فن‌های بویلرها، سامانه‌های تهویه مکشی یا استخراجی، سامانه‌های بازیابی حرارت، تهویه آزمایشگاه­ها و آشپزخانه ­های صنعتی، پارکینگ­ها و … استفاده می‌شود.

پره‌های شعاعی:

در این نوع فن‌ها، پره‌ها به صورت مستقیم و در راستای شعاع قرار گرفته­اند. این نوع فن‌ها نسبت به دو مدل قبلی از بازدهی کمتری برخوردار بوده و سروصدای بیشتری دارند. اما به دلیل اینکه نسبت به آلودگی‌ها و ذرات معلق جامد در هوا حساسیت کمتری دارند، در مواردی همچون انتقال مواد جامد به کمک سامانه‌های نیوماتیکی، جاروبرقی‌ها و… کاربرد دارند.

پره­های ایرفویل (airfoil):

این پره­‌ها سبب رقم خوردن راندمان بالایی برای فن می­شوند. اگر هدف، تهویه هوای محیط به بهترین حالت باشد، این پره‌­ها گزینه مناسبی هستند. فنی که این پره­ها را داشته باشد، می­تواند با سرعت بسیار زیادی حتی با سرعتی دوبرابر فن با پره­‌های فوروارد بچرخد. زاویه برخورد سیال با تیغه­ها در این پره­ها کم است در نتیجه صدایی که بوجود می­آید کم می­شود. استحکام این پره­ها که به دلیل تیغه­های تقویت کننده تعبیه شده در داخل آن­هاست، به محبوب بودن آن­ها کمک کرده است. عموماً انحنای این پره­ها به عقب متمایل است.

شکل 5-شماتیک فن از نوع پره ایرفویل

مکانیزم نیروی محرکه

نیروی محرکه فن سرعت آن و محدوده‌ی تغییرات آن را تعیین می‌کند. به طور کلی فن‌ها دو نوع سیستم محرکه دارند:

مستقیم: در این نوع فن‌ها، پره‌های فن به صورت مستقیم به محور خروجی الکتروموتور متصل می‌شوند. این بدان معنی است که سرعت فن با سرعت دورانی الکتروموتور برابر است. به دلیل اینکه در سیستم محرکه مستقیم نیازی به تبدیل سرعت گردشی الکتروموتور به فن وجود ندارد، تلفاتی به وجود نمی‌آید که این باعث افزایش بازده فن می‌شود.

استفاده از تسمه: در این نوع مکانیزم محرکه، از مجموعه‌ای از پولی‌ها و تسمه برای انتقال انرژی مکانیکی الکتروموتور به فن استفاده می‌شود. در این نوع فن‌ها سرعت فن به نسبت قطر پولی‌های نصب شده بر روی فن و الکتروموتور بستگی دارد. سرعت فن‌هایی که از تسمه استفاده می‌کنند ثابت است مگر در حالتی که تسمه دچار لغزش شود. لغزش تسمه باعث کاهش دور فن تا چندصد دور بر دقیقه (RPM)  می‌شود. همچنین باید در نظر داشت که استفاده از تسمه در سامانه محرکه فن‌ها باعث افزایش زمان مورد نیاز برای تعمیر و نگهداری آن‌ها می‌شود.

اصول عملکرد

فن‌های سانتریفیوژ از نیروی گریز از مرکزی که توسط چرخش پره‌ها ایجاد می‌شود به منظور افزایش انرژی جنبشی هوا استفاده می‌کنند. هنگامی که پره‌ها شروع به دوران می‌کنند، هوای نزدیک به پره‌ها به سمت بیرون پرتاب می‌شود و سپس به محفظه فن برخورد می‌کند (به همین دلیل است که میزان انرژی جنبشی هوا از طریق سنجش فشار وارد شده به محفظه یا کانال فن اندازه‌گیری می‌شود) و سپس هوا به سمت خروجی فن هدایت می‌شود. با خروج هوا از محفظه فن، فشار هوای مرکز پره‌ها در فن کاهش یافته و درنتیجه هوا به سمت داخل پره‌ها کشیده می‌شود تا فشار به حالت عادی برگردد. این چرخه به صورت مداوم تکرار شده تا جریان هوای یکنواختی از فن خارج شود.

تفاوت بین فن‌ها و دمنده‌ها

ویژگی که فن‌ها و دمنده‌ها را از همدیگر متمایز می‌کند، میزان فشاری است که هرکدام از آن‌ها ایجاد می‌کنند. به طور کلی دمنده‌ها فشار بیشتری نسبت به فن‌ها ایجاد می‌کنند. با استناد به اسناد انجمن مهندسین مکانیک آمریکا American Society of Mechanical Engineers (ASME)، می‌توان از میزان نسبت ویژه (نسبت فشار هوای خروجی از فن به فشار هوای مکش شده به داخل فن) به منظور تعریف فن‌ها، دمنده‌ها و کمپرسورها استفاده کرد. میزان نسبت ویژه در فن‌ها تا 1/11، دمنده‌ها از 1/11 تا 1/20 و کمپرسورها بیشتر از 1/20 می‌باشد. به دلیل نسبت ویژه بالا در دمنده‌ها و کمپرسورها، بدنه این دستگاه‌ها در مقایسه با فن‌ها محکم‌تر و قوی‌تر هستند.

جدول 1- تفاوت بین فن‌ها و دمنده‌ها

نگهداری فن­های سانتریفیوژ (Centrifugal Fans):

• اگر ذرات و آلودگی­های موجود در هوا روی پره­ها انباشته شوند، در تعادل پره ­ها اخلال ایجاد می­شود. زیرا تجمع ذرات بصورت یکنواخت صورت نمی­گیرد. عدم تعادل (بالانس) پره­ ها منجر به عدم تعادل فن می­شود. در نتیجه فن ارتعاش پیدا می­کند. در دراز مدت یاتاقان­ها و حتی پروانه­ ها تخریب می­شوند. از طرف دیگر وجود ذرات خارجی، جریان مناسب هوا روی پره را با اختلال مواجه می­کند. تمیزکاری­های مداوم و منظم به خصوص در جاهایی که فن در معرض هوای آلوده و ذرات چسبناک قرار دارد، عمر قطعات فن را به وضوح افزایش می­دهد. فواصل بین تمیزکاری­ها باید متناسب با ساعت کار و میزان آلودگی محیط باشد.
• بازبینی و روغنکاری بلبرینگ یاتاقان­ها در بازه ­های زمانی مناسب به افزایش دوره کاری آن­ها کمک می­کند. زیرا ساییدگی یاتاقان­ها به سایش شافت منجر می­شود. آسیب دیدن شافت باعث عدم تعادل (آنبالانسینگ) فن شده و سروصدای زیاد را به دنبال دارد. مضاف بر اینکه هرچه فن با عدم تعادل به چرخش ادامه دهد، خراب شدن فن با سرعت بیشتری پیش می­رود.
• اگر فن سانتریفیوژ، تسمه داشته باشد، لازم است که تسمه­ ها از نظر سایش و میزان کشش بازرسی و در صورت نیاز تعویض شوند. کشش نامناسب یا پوسیدگی تسمه باعث می­شود بازدهی انتقال نیرو کم شود. پس می­توان نتیجه گرفت بهینه نبودن شرایط عملکرد تسمه، تلفات انرژی را افزایش می­دهند. به علاوه سطح صدا بطور چشمگیری زیاد می­شود. در سیستم­هایی که آرایه­ چند تسمه ای دارند، اگر به هر دلیلی یکی از تسمه ­ها نیاز به تعویض داشته باشد، باید همه تسمه­ ها هم­زمان عوض شوند.
• پیچ­های نگهدارنده باید از نظر سفت بودن بررسی شوند. شل بودن پیچ­ها باعث لرزش و آسیب دیدن قطعات داخلی می­شود.
• اگر در محیطی که فن در حال کار است، حجم هوا کم باشد، مثلاً برای مدت طولانی در محیطی با هوای ناکافی کار کند، بار اضافه شده روی موتور فن زیاد می­شود.
• اگر این فن­ها در محلی سرپوشیده نصب شوند یا در معرض رطوبت قرار نگیرند، عمر طولانی­تری خواهند داشت.
• نشتی­های موجود در سیستم کانال­کشی، باعث عدم عملکرد مناسب می­شود. یکی از گام­های ابتدای کنترل سیستم تهویه، بررسی سیستم کانال­کشی است.

تلفات انرژی در فن سانتریفیوژ

تلفات ایجاد شده در فن‌های سانتریفیوژ می‌تواند ناشی از قطعات ثابت و یا محرک باشد.

پره‌ها: عمل تبدیل جریان ورودی از حالت محوری به شعاعی باعث اتلاف انرژی می‌شود. اصطکاک و جدایش جریان به علت تغییر زاویه برخورد باعث ایجاد تلفات در پره‌ها می‌شود.

وجود نشتی: نشت جریان هوا یا ایجاد جریان هوای آشفته در ورودی اصلی می‌تواند به دلیل وجود فاصله زیاد بین پره‌ها و محفظه فن باشد.

جهت اطلاعات بیشتر با ما در  ارتباط باشید