پیشگفتار:

“تیغه فن بکوارد و فوروارد” نسبت به یکدیگر دارای تفاوت‌های اساسی می‌باشند که این تفاوت در شکل ظاهری این تیغه‌ها باعث عملکرد متفاوت و ویژگی منحصربه‌فرد در هرکدام از این فن ها می‌شود. فن سانتریفیوژ Centrifugal Fans که تحت عنوان بلوئر نیز شناخته می‌شود یکی از متداول‌ترین انواع فن صنعتی می‌باشد که به طور معمول در محیط‌هایی با فشار استاتیکی بالا و در فضاهای صنعتی کانال‌کشی شده به کار گرفته می‌شود. گستره کاربرد هواکش سانتریفیوژ بسیار فراوان است، سیستم‌های هواساز HVAC، اتاق‌های تمیز، کارخانه‌های صنعتی، آشپزخانه‌های صنعتی، سالن‌های اجتماعات و … مکان‌هایی هستند که از فن سانتریفیوژ در تهویه هوا استفاده می‌گردد.

تیغه فن سانتریفیوژ منحنی روبه‌عقب (Backward) 

هنگامی که مقدار جریان حجمی مورد نیاز خود را محاسبه کردیم، چه برای تأمین هوای تازه و چه برای هوای تخلیه، باید آن را با مقاومت در برابر جریانی که فن با آن مواجه می‌شود ترکیب کنیم. دبی حجمی جریان (بر حسب m3/hr) و فشار (بر حسب پاسکال – Pa)، دو پارامتر اصلی فن می‌باشند، با هم ترکیب می‌شوند تا به نقطه‌کاری تبدیل شوند که فن باید در آن کار کند.
باید یک فن را انتخاب کنیم که مشخصه عملکرد آن نقطه کار موردنیاز را در نقطه اوج راندمان یا نزدیک به آن برآورده کند. استفاده از فن با راندمان بالا، مصرف برق و سروصدای تولید شده از فن را به حداقل می‌رساند و درعین‌ حال عملکرد مورد نیاز را ارائه می‌دهد.

فن سانتریفیوژ Backwad چگونه کار می‌کند؟

نام هواکش سانتریفوژ یوتیلیتی “گریزازمرکز” از جهت جریان و نحوه خروج هوا از پروانه فن به‌صورت شعاعی از محیط بیرونی فن گرفته شده است. یک فن گریز از مرکز یا به اصطلاح (هواکش سانتریفیوژ بکوارد) با شکل استوانه‌ای، از چندین پره منحنی بزرگ و یک نازل ورودی مخروطی تشکیل می‌شود. در شکل زیر، فن در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد.

با چرخش فن، اختلاف فشار روی پره‌های پروانه ایجاد می‌شود. در سمت جلوی تیغه‌های پروانه (محدب)، فشار مثبت ایجاد می‌شود زیرا حرکت چرخشی پروانه، به هوا نیرو وارد می‌کند. تیغه‌های پروانه، هوا را به سمت بیرون هل می‌دهد و در یک‌جهت شعاعی خارج می‌شود. در سمت مقعر تیغه پروانه، با چرخش فن فشار منفی ایجاد می‌شود و هوا را به فضای بین پره‌ها می‌کشد. سپس این هوا توسط تیغه به سمت داخل کشیده می‌شود و در یک فرایند پیوسته به‌صورت شعاعی به بیرون هدایت می‌شود. سمت مکش تیغه پروانه، هوا را از مرکز فن می‌کشد که منجر به تغییر جهت 90 درجه جریان هوا بین ورودی و خروجی می‌شود.

ویژگی‌های فن سانتریفیوژ Backwad 

سطح عملکرد مطلوب برای یک فن سانتریفیوژ منحنی عقب (Backward)، ناحیه‌ای در وسط مشخصه عملکرد آن است. یک فن سانتریفیوژ (Backward) منحنی رو به عقب، زمانی بهترین عملکرد را دارد که فشار متوسط و جریان با حجم متوسط موردنیاز (خواسته شده) باشد. نمودار زیر، سطح عملکرد بهینه یک فن را نشان می‌دهد.

دبی حجمی جریان در امتداد محور X و فشار سیستم (هد فن) بر روی محور Y رسم می‌شود. هنگامی که هیچ فشاری در سیستم وجود ندارد (فن آزادانه کار می‌کند)، یک فن سانتریفیوژ (backward) منحنی به عقب، بیشترین جریان حجمی را تولید می‌کند. وقتی که فن دچار اعمال فشار در برابر جریان در مسیر مکش یا سمت خروجی فن می‌شود، میزان دبی حجمی جریان کاهش می‌یابد.

اوج بازده در نقطه‌ای در وسط منحنی مشخصه است. در این حالت، نسبت توان خروجی فن” دبی حجمی (m3/s) جریان” و هد فن “فشار استاتیکی (Pa)” به توان الکتریکی ورودی (W) در بالاترین حد خود است و میزان صدای تولید شده توسط فن در بی‌صداترین حالت ممکن خواهد بود. قبل و بعد از محدوده بهینه عملکرد، جریان در سراسر فن دارای سروصدا می‌شود و راندمان سیستم فن نیز، کاهش می‌یابد.

مزیت استفاده از پروانه فن خمیده به عقب (Back ward) این است که در مشخصه خود نقطه توقف ندارد. این بدان معنی است که هیچ نقطه‌ای در منحنی مشخصه فن وجود ندارد که فن در آن نقطه کارایی نداشته باشد. پروانه‌های فن خمیده به عقب (Backward) همچنین دارای بالاترین راندمان استاتیکی در بین هر نوع فن هستند، منحنی مشخصه سایر فن‌ها مانند فن‌های سانتریفیوژ محوری (Axial)، فن خمیده به جلو (Forward) دارای مناطقی هستند که کارکرد در آنها توصیه نمی‌شود، در این نواحی توربولانسی (آشفتگی جریان) ایجاد می‌شود که می‌تواند اثرات مخربی بر عملکرد طولانی‌مدت فن داشته باشد.

مزایای فن سانتریفیوژ بک وارد

• استحکام بالا به واسه جوشی بودن پروانه
• تحمل افت فشار بالا
• هوادهی مناسب
• حالت خود تمیزکنندگی دارد (Self cleaning) به واسطه دور بالا

معایب فن سانتریفیوژ بک وارد

• صدای بالاتر
• استهلاک بیشتر به واسطه دور بالا

کاربرد فن سانتریفیوژ بک وارد

در فن ها و هوارسان های دارای افت فشار بالا استفاده از این فن ها امری عادی می باشد. مثلا در هواسازهای هایژنیک که در بیمارستان ها یا دارو سازی ها استفاده می گردد به واسطه استفاده از فیلترهای مختلف افت فشار در دستگاه بالا رفته لذا استفاده از فن بک وارد بسیار مناسب است.

• انواع فن ها و اگزاست فن ها.
• انواع فن های اینلاین و فن باکس ها.
• انواع کوره های هوای گرم.

فن سانتریفیوژ بک وارد با پره‌های ایرفویل

تیغه این نوع فن‌ها به شکل توخالی طراحی شده و مایل به عقب هستند. این نوع از فن سانتریفیوژ، برای جهتدهی و ایجاد حجم بالایی از هوای تمیز در شرایط فشار استاتیک کم، مناسب است. این فن از اساس برای مواجهه با فشار استاتیک بالا طراحی نشده و اغلب تا فشارهای متوسط میتواند پاسخگوی نیازمندی های شما باشد. در نقطه مقابل اما حجم هوای تولیدی آن بالاست. نکته دیگری که در رابطه با آن حائز اهمیت است، سرعت گردش بالاتر، صدای به مراتب کمتر نسبت به سایرین و همچنین بیشترین سطح از بهره وری است. از نظر بهره وری فن ایرفویل تقریباً بی رقیب است. استفاده از فن سانتریفیوژ ایرفویل در محیط های عاری از ذرات معلق پیشنهاد میشود.

ویژگی‌های نصب فن سانتریفیوژ بک وارد

ویژگی عملکرد بدون اضافه‌ بار، راندمان استاتیکی بالا و گزینه‌های نصب انعطاف‌ پذیر دلایلی هستند که باعث می‌شود یک فن منحنی رو به عقب یا به اصلاح (backward curved) بهترین راه‌حل را برای مطابقت با نیازهای جریان هوا در سیستم‌هایی با مقاومت جریان قابل‌توجه ارائه دهد. برای اطمینان از این ویژگی، یک حلقه ورودی (نازل) لازم است تا از جریان آرام هنگام ورود هوا به پروانه اطمینان حاصل شود. حلقه ورودی (نازل) باید به‌صورت متحدالمرکز قرار گیرد و باید یک هم‌پوشانی کوچک از حلقه ورودی در ورودی فن وجود داشته باشد. یک فن خمیده به عقب (backward curved) را می‌توان در یک طراحی پایه برای استفاده در یک محفظه پلنوم استفاده کرد یا در یک محفظه اسکرول برای هدایت تخلیه جریان استفاده کرد.

هنگامی که از یک محفظه پلنوم استفاده می‌شود، همان‌طور که اغلب برای جابه‌جایی هوا استفاده می‌شود، طراح گزینه‌های زیادی برای تحویل هوا دارد.

نکته:هوای ورودی از مجرای سمت مکش فن ممکن است از قسمت‌هایی که در برابر جریان مقاومت دارند عبور کرده باشد (فیلترهای ذرات، سلول بازیابی حرارت، مبدل‌های حرارتی و غیره).
با عبور هوا از فن، از زاویه 90 درجه می‌چرخد و به‌صورت شعاعی تخلیه می‌شود. این الگوی جریان هوا امکان قراردادن مجرای تخلیه را در موقعیت شعاعی یا درون خطی فراهم می‌کند. هنگامی که از محفظه اسکرول استفاده می‌شود، خروجی هوا جهت‌دار می‌شود و عملکرد پروانه تغییر می‌کند.

استفاده از یک اسکرول اصلی، سرعت هوا را کاهش می‌دهد و مقداری از فشار دینامیکی را به فشار استاتیک تبدیل می‌کند که مشخصه فشار با زاویه‌ای تندتر را ایجاد می‌کند. ماهیت پره‌های خمیده اسکرول نیز مسیر هوای خروجی را هموار می‌کند و عملکرد آرام‌تری را به همراه دارد.

الزامات نصب فن سانتریفیوژ بکوارد

باید از فاصله کافی در دو طرف مکش و تخلیه فن اطمینان حاصل شود. فاصله ناکافی در سمت مکش فن باعث افزایش سرعت ورودی می‌شود که منجر به جریان متلاطم می‌شود. این تلاطم با عبور هوا از پروانه افزایش می‌یابد که باعث می‌شود انتقال انرژی از تیغه فن به هوا بازده کمتری داشته باشد و باعث ایجاد صدای بیشتر و کاهش راندمان فن می‌شود و همین‌طور در مسیر تخلیه از فن، قراردادن یک مانع برای جریان نزدیک به سمت تخلیه فن باعث ایجاد تلاطم می‌شود که باعث افزایش مقاومت در برابر جریانی می‌شود که فن باید بر آن غلبه کند.

توصیه‌های کلی برای شرایط ورودی و تخلیه فن سانتریفیوژ بکوارد عبارت‌اند از:
ورودی به فن:

• بدون گرفتگی یا تغییر جهت جریان در ½ فاصله قطر فن از ورودی فن

خروجی از فن:

• قطر هیدرولیک باید بیشتر از 2.2 برابر قطر فن باشد.
• برای جهت جریان درون خطی – باید در فاصله‌ای برابر با قطر فن (در قسمت پشت فن) بدون مانع باشد.

ویژگی عدم اضافه‌بار، قابلیت نصب فن با یا بدون اسکرول و طراحی پروانه‌ای که بالاترین راندمان استاتیکی را در بین انواع فن ها ارائه می‌دهد به این معنی است که منحنی فن سانتریفیوژ بکوارد یک طراحی فن انعطاف‌پذیر و قابل انطباق است که می‌تواند در طیف گسترده‌ای از تأسیسات و تهویه مطبوع مورداستفاده قرار گیرد.

تیغه فن سانتریفیوژ منحنی روبه‌جلو (Forward)

تفاوت جهت جریان بین یک فن سانتریفیوژ خمیده روبه‌جلو (Forward) و خمیده رو به عقب Backward ، جهتی است که هوا از پیرامون و اطراف پروانه خارج می‌شود. با یک پروانه خمیده به عقب (Backward)، هوا در جهت شعاعی خارج می‌شود، درحالی‌که با پروانه خمیده به جلو یا به اصلاح (هواکش سانتریفیوژ فوروارد)، هوا به‌صورت مماس از محیط فن خارج می‌شود.

در سمت مکش فن سانتریفیوژ فوروارد همانند فن سانتریفیوژ بکوارد، تیغه پروانه هوا را از مرکز فن می‌کشد که منجر به تغییر جهت جریان هوا بین ورودی و خروجی 90 درجه می‌شود.

یک فن سانتریفیوژ فوروارد دارای شکل استوانه‌ای و تعداد زیادی پره‌های کوچک در محیط پروانه می‌باشد.برخلاف پروانه backward، پروانه  Forward به محفظه‌ای نیاز دارد که هوای با سرعت بالا را که از نوک تیغه پروانه خارج می‌شود به نیروی ساکن با سرعت پایین‌تر تبدیل کند. محفظه نیز جریان هوا را به سمت خروجی هدایت می‌کند. این نوع محفظه فن معمولاً به‌عنوان اسکرول شناخته می‌شود. اما، به آن محفظه حلقوی یا سیروکو نیز می‌گویند.

(در شکل بالا، فن در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد.)

فن‌های سانتریفیوژ فوروارد به 2 دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• Single Inlet  ورودی به فن یک‌طرفه
• Double Inlet ورودی به فن دوطرفه

 

فن فوروارد تک ورودی در تصویر سمت چپ، هوا را ازیک‌طرف محفظه از طریق ورودی گرد می‌کشد و آن را به سمت خروجی مربع هدایت می‌کند (در اینجا از اتصالات فلنجی استفاده می‌شود).
فن فوروارد با ورودی دوطرفه در تصویر سمت راست، دارای محفظه اسکرول عریض‌تری است که هوا را از هر دو طرف اسکرول به داخل می‌کشد و آن را به خروجی مربع بزرگ‌تری نسبت به خروجی حالت تک ورودی می‌رساند.

ویژگی‌های فن سانتریفیوژ فوروارد

منطقه بهترین عملکرد برای یک فن سانتریفیوژ فوروارد زمانی است که با فشار بالاتر کار می‌کند. یک فن سانتریفیوژ فوروارد در زمانی که فشار زیاد در برابر جریان‌های با حجم کمتر موردنیاز است بهترین کارکرد را دارد.

(نمودار بالا منطقه کاری بهترین عملکرد فن را نشان می‌دهد.)

دبی حجمی جریان در امتداد محور X و فشار سیستم (هد فن) بر روی محور Y رسم می‌شود. هنگامی که هیچ فشاری در سیستم وجود ندارد، یک فن سانتریفیوژ فوروارد بیشترین جریان حجم را تولید می‌کند. با اعمال مقاومت در برابر جریان به سمت مکش یا تخلیه فن، دبی حجمی جریان کاهش می‌یابد.

هنگام انتخاب یک فن سانتریفیوژ منحنی روبه‌جلو برای کار در فشارهای کم و بالاترین دبی حجمی جریان باید احتیاط کرد. اوج راندمان در نقطه‌ای به نام زانوی منحنی مشخصه است. در این مرحله نسبت توان خروجی فن (دبی حجمی جریان m3/s و هد فن “فشار استاتیکی (Pa)” به توان الکتریکی ورودی (W) در بالاترین حد خود است و صدای تولید شده توسط فن در بی‌صداترین حالت ممکن خواهد بود. بالاتر و پایین‌تر از محدوده بهترین عملکرد، جریان در سراسر فن پرسروصدا می‌شود و راندمان سیستم فن کاهش می‌یابد.

از ویژگی‌های پروانه منحنی به جلو تک ورودی این است که دارای نمودار مشخصه فن با شیب تند است. همان‌طور که در نمودار سمت چپ تصویر بالا مشخص است. این ویژگی در سیستم‌هایی که نیاز به سطوح ثابت فیلتراسیون دارند بسیار مفید است. همان‌طور که هوا از فیلتر ذرات عبور می‌کند، فیلتر گردوغبار و گرده موجود در هوا را جذب می‌کند، هر چه درجه فیلتراسیون ریزتر باشد، ذرات مسدود شده توسط فیلتر کوچک‌تر می‌شود. به‌مرورزمان، فیلتر به طور فزاینده‌ای با آلاینده‌ها مسدود می‌شود که باعث می‌شود فشار بیشتری برای تحویل همان حجم هوا موردنیاز باشد. استفاده از یک پروانه با منحنی مشخصه شیب‌دار در این مورد به این معنی است که با مسدود شدن فیلتر، دبی حجمی جریان ثابت می‌ماند درحالی‌که فشار روی فیلتر افزایش می‌یابد. از ویژگی‌های پروانه منحنی روبه‌جلو دو ورودی این است که یک فن با اندازه نسبتاً کوچک می‌تواند جریانی با حجم بالا ارائه دهد. اما فن‌های سانتریفیوژ با ورودی دوطرفه، فقط در فشارهای پایین کار می‌کنند.

تیغه ی فن سانتریفیوژ از نوع منحنی به جلو، بیشترین حجم جریان هوا را تولید میکنند. فن سانتریفیوژی که دارای این نوع از پره ها باشد؛ معمولاً برای کارکردهای تهویه مناسب هستند. البته به شرطی که میزان ذرات معلق در هوا یا همان گردوغبار، در حد بالایی نباشد. وجود میزان زیادی از گردوغبار در هوا، به خاطر ساختار خاص این نوع از تیغه فن سانتریفیوژ، به سرعت باعث پر شدن شکافها شده و باعث آنبالانسی فن می شود؛ که ممکن است به فن آسیب وارد کند.

مزایای فن سانتریفیوژ فوروارد

• هوادهی بالا در دور پایین.
• استهلاک کم یاطاقان ها به واسطه دور پایین.
• صدای کم.

معایب فن سانتریفیوژ فوروارد

• عدم تحمل افت فشار بالا
• استحکام کمتر به نسبت فن های بک وارد در سایزهای بزرگ

موارد استفاده از فن سانتریفیوژ فوروارد

این نوع فن بیشترین استفاده را در بین سایر فن ها در صنعت و صنعت تهویه مطبوع دارد.به دلیل استقبال زیاد از این نوع فن ها، از جنس پلیمری نیز تولید شده که با توجه به سبک تر شدن آنها گستره استفاده از آن بیشترنیزشده است.به طور مثال در دستگاه های زیر از فن های فوروراد استفاده می گردد:

• نواع هواسازها.
• انواع ایرواشرها.
• انواع اگزاست فن ها
• انواع فن های دمنده که برای هوای اضطراری راه پله های برج های مسکونی استفاده می گردد
• انوع فن کویل های سقفی و زمینی و کانالی
• انواع کولر های آبی و کولرهای صنعتی
• انواع دستگاههای زنت
• انواع هودهای آشپزخانه

ویژگی‌های نصب فن سانتریفیوژ فور وارد

همان‌طور که قبلاً ذکر شد، پروانه فن خمیده به جلو، هوای با سرعت بالایی را در نوک تیغه تولید می‌کند که برای تبدیل فشار دینامیکی به فشار استاتیک، باید جهت‌دهی و کاهش یابد. برای تسهیل این کار، یک محفظه اسکرول در اطراف پروانه می‌سازیم. شکل محفظه با نسبت فاصله از مرکز پروانه به خروجی فن ایجاد می‌شود. مانند فن بکوارد، توصیه می‌شود که بین حلقه ورودی و دهانه پروانه هم‌پوشانی کوچکی وجود داشته باشد.

(در تصویر بالا ابعاد محفظه اسکرال فن را نشان می دهد.)

قطر حلقه ورودی فقط باید یک شکاف کوچک بین پروانه و حلقه ایجاد کند تا از چرخش مجدد هوا جلوگیری شود. باید از فاصله کافی در مکش و اطراف فن اطمینان حاصل شود. فاصله ناکافی در سمت مکش فن باعث افزایش سرعت ورودی می‌شود که منجر به جریان متلاطم می‌شود. این تلاطم با عبور هوا از پروانه افزایش می‌یابد که باعث می‌شود انتقال انرژی از تیغه فن به هوا بازده کمتری داشته باشد و باعث ایجاد صدای بیشتر و کاهش راندمان فن می‌شود.

توصیه‌های کلی برای شرایط ورودی و تخلیه فن عبارت‌اند از:

• در فاصله  1/3 برابر قطر فن نسبت به ورودی فن هیچ‌گونه انسداد مسیر یا تغییر جهت نباشد.

ویژگی عملکرد شیب‌دار، قابلیت فشار بالاتر فن‌های سانتریفیوژ تک ورودی و قابلیت جریان بالای فن‌های سانتریفیوژ دو ورودی به این معنی است که فن سانتریفیوژ فوروارد گزینه‌ای مفید برای درنظرگرفتن در طیف گسترده‌ای از تأسیسات است.

نتیجه گیری:

نحوه انتخاب “تیغه فن سانتریفیوژهای بکوارد و فوروارد” بدین شکل است: هنگامی که نقطه کار موردنیاز در ناحیه فشار متوسط سیستم در مقابل جریان حجم متوسط بر روی مشخصه فن قرار می‌گیرد، یک فن گریزازمرکز بکوارد را باید در نظر گرفت. معمولاً برای تخلیه هوا فضای موردنظر از فن بکوارد استفاده می‌شود وهنگامی که نقطه کار موردنیاز در ناحیه فشارهای سیستم بالاتر در مقابل دبی حجمی جریان کمتر بر روی مشخصه فن قرار می‌گیرد، یک فن گریزازمرکز فوروارد تک ورودی باید در نظر گرفته شود و برای یک جریان با حجم بالا در فشار سیستم پایین، یک فن سانتریفیوژ منحنی روبه‌جلو دو ورودی باید در نظر گرفته شود. معمولاً برای هوادهی به فضای موردنظر از فن فوروارد استفاده می‌شود. فن باید در محدوده بهترین عملکرد خود که در مرکز منحنی مشخصه جریان است، انتخاب شود. نقطه اوج راندمان در وسط منحنی مشخصه فن است که در آن نقطه، عملکرد فن در بی‌صداترین حالت خود می‌باشد. از کارکرد خارج از محدوده بهینه (در حداکثر جریان با حجم زیاد یا هد فن با فشار بالا) باید اجتناب شود، زیرا تلاطم و بازده آیرودینامیکی تیغه پروانه در این نقاط باعث ایجاد سروصدا و ناکارآمدی سیستم می‌شود.هوا در سمت ورودی پروانه باید تاحدامکان هموار و آرام باشد تا کارایی تیغه پروانه به حداکثر برسد. استفاده از حلقه ورودی (نازل ورودی) که روی مخروط ورودی پروانه هم‌پوشانی دارد به حذف اختلالات جریان قبل از کشیده شدن هوا از طریق فن کمک می‌کند، صدای ناشی از جریان متلاطم را کاهش می‌دهد، مصرف برق را در نقطه کار به حداقل می‌رساند و راندمان را به حداکثر می‌رساند