بررسی مکانیزم فن و هوارسان (محاسبات فن و انواع فن و هوارسان)
در این بخش از فصل تاسیسات مکانیکی، قرار است با هم راجع به مکانیزم فن و هوارسان، انواع فن و همچنین محاسبات فن و… آشنا شوید. همراه ما باشید تا همه چیز در مورد سیستم فن و هوارسان آشنا شوید.
فن چیست؟
فن یا پره‌هوا (Fan)، یک دستگاه مکانیکی است که برای جابجایی هوا یا گاز در داخل یک فضا به کار می‌رود. فن‌ها معمولاً دارای یک محور چرخشی با پره‌هایی هستند که با چرخش، هوا را در جهت مورد نظر حرکت می‌دهند.
فن‌ها در سیستم‌های تهویه مطبوع، گرمایش، خنک کننده و سیستم‌های صنعتی به کار می‌روند. در سیستم‌های تهویه مطبوع، فن‌ها برای جابجایی هوا و به دور انداختن هوای داغ از داخل ساختمان استفاده می‌شوند. در سیستم‌های گرمایش و خنک کننده، فن‌ها برای جابجایی هوا با دما و رطوبت مطلوب در داخل سیستم استفاده می‌شوند.
تفاوت فن با هوارسان چیست؟
هوارسان یا تهویه مطبوع (Ventilation)، به مجموعه فرآیندهایی گفته می‌شود که به منظور جابجایی هوای تازه و تهویه فضاهای داخلی از طریق سیستم‌های تهویه مطبوع در ساختمان‌ها و فضاهای صنعتی به کار می‌روند. هوارسان به عنوان یک بخش مهم از سیستم تهویه مطبوع، مسئولیت تأمین هوای تازه، کنترل رطوبت و کاهش آلودگی هوا را بر عهده دارد.
سیستم هوارسان در ساختمان‌ها به دو شکل مستقیم و غیرمستقیم وجود دارد. در سیستم هوارسان مستقیم، هوای خارجی مستقیماً به داخل ساختمان تزریق می‌شود و در سیستم هوارسان غیرمستقیم، هوای خارجی از طریق یک مبدل حرارتی به داخل ساختمان منتقل می‌شود تا دما و رطوبت مناسبی را در داخل ساختمان حفظ کند.
فن‌های سانتریفیوژي یا گریز از مرکز
فن‌های سانتریفیوژ یا گریز از مرکز هوا را در جهت عمود بر محور گردش پروانه تخلیه می‌کنند. به عنوان یک قانون کلی این نوع فن در سیستم‌های کانال کشی شده با فشار بالا کاربرد دارد. هوای ورودی به موازات محور گردش پروانه وارد فن شده و با حرکت شعاعی به سمت پیرامون پروانه و نوك بالک‌ها حرکت می‌کند. هم‌زمان با این حرکت، جریان هوا مقداری انرژی جنبشی دریافت می‌کند که افزایش فشار استاتیک را هم‌زمان با آهسته شدن حرکت جریان هوا قبل از ورود به مسیر تخلیه را در پی دارد.
فن‌های سانتریفیوژ قابلیت عملکرد در مکانهایی که جریان هوا کثیف و دارای ناخالصی است و یا دارای دمای بالا است را دارند. اما مهم‌ترین ویژگی این فن‌ها توانایی آنها در غلبه بر افت فشار استاتیک بالا در سیستم‌های کانال کشی شده است. فن‌های سانتریفیوژی از انواع مختلفی از شکل پره استفاده می‌کنند:
پرههای منحنی با شیب به جلو
انحنای پره‌ها به سمت چرخش است. در مقایسه با سایر فن‌ها بازدهی کمتر (در حدود ٥٥ تا ٦٥ درصد) و اندازه کوچک‌تری دارد. به دلیل سرعت دورانی پایین، نیاز به استحکام بالا نداشته و کم‌صدا هستند. در این نوع فن‌ها احتمال ایجاد اضافه بار بیشتر از دیگر فن‌ها وجود دارد. با افت فشار توان مصرفی این فن‌ها به صورت پیوسته افزایش می‌یابد.
این فن‌ها عموماً در سیستم‌های گرمایش، تهویه و هواساز کاربرد دارند. از آنجایی که دبی خروجی فن به راحتی قابل تنظیم نیست، لذا در مواردی که نیاز به کنترل دقیق دبی وجود دارد مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. در مواردی که دبی کم تا متوسط در فشار پایین نیاز باشد، کاربرد دارند.
پره‌هاس ایرفویل با شیب به عقب
بیشترین بازدهی را در بین فن‌های سانتریفیوژ دارند. زاویه برخورد پره‌ها با جریان سیال کم است. صدای کمتری نسبت به سایر فن‌های سانتریفیوژ دارند. استحکام مکانیکی بالا باعث قابلیت این فن‌ها در تولید فشارهای بالا می‌گردد. به دلیل خاصیت این فن‌ها در عدم تحمیل اضافه بار بر الکتروموتور، غال با در مواردی که دبی بالا مورد نیاز است به کار می‌روند. برای سیستم های با مقاومت متغیر به دلیل عدم وجود منطقه واماندگی بر روی منحنی این فن‌ها مناسب می‌باشند.
پرههای منحنی با شیب به عقب
پرههای فن در جهت عکس چرخش فن انحنا دارند. این فن‌ها بازدهی بالاتری نسبت به پروانه‌های فوروارد و رادیال دارند. موتور این فن‌ها هیچگاه زیر بار اضافه نخواهند رفت. در دبی بالا بازدهی افت می‌کند. فشار استاتیکی متوسط رو به پایین دارند. در سیستم‌های گرمایش، تهویه و هواساز کاربرد دارند. در مواردی که به دلیل خوردگی و سایش امکان استفاده از پروانه‌های ایرفویل وجود ندارد از این نوع پروانه استفاده می‌گردد.
پرههای شعاعی یا رادیال
پرههای فن فاقد انحنا هستند. قابلیت پوشش پره‌ها، مقاومت به خوردگی و سایش را در این نوع فن افزایش می‌دهد. در این نوع فن‌ها با افزایش دبی هوای خروجی، قدرت موتور نیز افزایش می‌یابد. در صورت افزایش دبی هوای خروجی، موتور زیر بار اضافه قرار گرفته و تولید سروصدای زیادی خواهد کرد. دارای عملکرد مطمئن و بهینه حتی در لرزشهای ناشی از وضعیت واماندگی هستند. برای مصارف با دبی پایین تا متوسط در فشار بالا مناسب می‌باشند. دارای قابلیت جابجایی جریان سیال همراه با ذرات درشت، گرد و غبار، برادههای چوب یا آهن هستند.
مطلب مرتبط: محاسبات سیستم تهویه مطبوع
بررسی فن‌های محوری
در این نوع فن جریان هوا در راستای محور یا شفت پروانه عبور می‌کند. فن‌های محوری‌عمدتاً در مواردی که افت فشار کم و دبی تخلیه بالاست به کار می‌روند. در بعضی موارد در ظرفیت مشابه، فن‌های محوری به سرعت دورانی بالاتری نیاز دارند که این موضوع سروصدای بیشتر آنها را نسبت به فن‌های گریز از مرکز در پی دارد.
از جمله مزایای فن‌های جریان محوری عبارتند از:
- وزن و اشغال فضای کم
- هزینه کم
کاربردهای رایج این فن‌ها در موارد زیر است:
- خارج کردن هوای آلوده از محیط و فراهم نمودن هوای تمیز
- تهویه مکانهایی که اندازه ذرات ناخالصی موجود در هوا کوچک است مثل گرد و غبار، دود و گاز
شاید مهم‌ترین نقطه‌ضعف فن‌های جریان محوری، مشکلی باشد که در این نوع فن‌ها به هنگام تغییرات قابل ملاحظه جریان هوا رخ می‌دهد. این مسئله به دلیل وجود خاصیت واماندگی٣ رخ می‌دهد که آنها را جهت عملکرد تحت شرایطی که تغییرات گستردهای در جریان هوا وجود دارد نامناسب و حتی آسیب‌پذیر می‌سازد.
اما مسئله دیگری که لازم به ذکر است تفاوت سرعت فن‌های جریان محوری با فن‌های گریز از مرکز در یک ظرفیت مشخص هوادهی است. به این صورت که فن‌های محوری باید در سرعت دورانی بیشتری عمل کنند تا این مقدار هوادهی را تامین کنند و این امر سروصدای زیادتر آنها را نسبت به فن‌های گریز از مرکز در پی دارد.
انواع فن محوری
فن هوای محوری دارای انواع ذیل است:
فن‌های با پره ملخی
این نوع فن‌ها جریانهای گازی زیاد با فشار استاتیکی پایین (کمتر از اینچ آب) تولید می‌کنند لذا برای تخلیه هوا از طریق کانالکشی نامناسب است. بهترین محل برای نصب این نوع فن بر روی پنجره یا روی دیوار است‌نسبتاً. بازده پایینی دارند. نسبتاً ارزان هستندنسبتاً. پر سروصدا هستند. توان مصرفی با افزایش دبی جریان، کاهش می‌یابد. دارای بیشترین بازدهی در حداقل فشار هستند.
فن‌های لوله محوری
فن‌های لوله محوری یا کانالی دارای بازدهی بیشتر و عملکرد در فشار بالاتر نسبت به فن‌های ملخی می‌باشند. نسبت به سایر فن‌های محوری صدای متوسطی دارند. برای تهویه، گرمایش و سرمایش مکانهایی که در آنها کانال با طول کم به کار رفته است. برای کاربردهای با فشار متوسط و دبی جریان بالا مناسب هستند.
فن‌های پره محوری
مانند فن‌های کانالی هستند با این تفاوت که دارای پرههای خروجی جهت هدایت جریان به صورت مستقیم و تبدیل انرژی جنبشی آن به فشار استاتیک می‌باشند. دارای پروفیل غیریکنواخت جریان می‌باشند. در صورت استفاده از پروانه‌های ایرفویل در آنها بازدهی این نوع فن تا ٨٥% می‌رسدمعمولاً. به صورت مستقیم به الکتروموتور متصل می‌شوند. مناسب برای کاربرد در فشارهای متوسط تا بالا می‌باشند.
نقطه عملکرد فن
منحنی عملکرد فن مکان هندسی مکان هندسی شرایطی است که فن امکان کار کردن در آنها را دارد. با قرار گرفتن یک فن در یک سیستم مشخص، نقطه عملکرد از تقاطع منحنی عملکرد و منحنی سیستم بدست می‌آید.
نقطه عملکرد فن
به هم بستن فن‌ها
با ترکیب فن‌ها به صورت سری یا موازی می‌توان بدون افزایش قابل‌توجه اندازه سیستم یا قطر فن، جریان هوای مطلوب را بدست آورد. در به هم بستن موازی، دو یا چند فن کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و در به هم بستن سری، فن‌ها در امتداد یکدیگر قرار می‌گیرند.
به هم بستن فن‌ها به صورت سری و موازی
بررسی فن‌های سری
در صورتی که دو یا چند فن به صورت سری قرار گیرند، منحنی عملکرد مجموعه از جمع فشار فن‌ها در هر دبی بدست می‌آید. عملکرد بهینه فن‌های سری در سیستم‌های با مقاومت بالا حاصل می‌شود.
بررسی فن‌های موازی
در صورتی که دو یا چند فن به صورت موازی قرار گیرند، منحنی عملکرد مجموعه از جمع دبی فن‌ها در فشار مشخص بدست می‌آید. عملکرد بهینه فن‌های موازی در سیستم‌های با مقاومت پایین حاصل می‌شود.
روابط تشابهی فن‌ها
رابطه بین دبی جرمی،چگالی سیال، دور فن و قطر پروانه
رابطه بین دبی حجمی، دور فن و قطر پروانه
رابطه بین فشار استاتیکی،چگالی سیال، دور فن و قطر پروانه
( ٩-٣)
رابطه بین توان مصرفی، چگالی سیال، دور فن و قطر پروانه
محاسبات توان فن‌ها
برگرفته از جزوه طراحی تاسیسات مکانیکی ساختمان
نکته مهم: اگر در دادههای مسئله در سیستم انگلیسی ارائه شده باشد ولی خواسته مسئله در سیستم SI باشد و یا برعکس، به دلیل اینکه در سیستم انگلیسی فشار استاتیک بر حسب اینچ ستون آب O٢inH است ولی در سیستم SI فشار بر حسب متر ستون هوا mair است محاسبات ذیل مورد نیاز خواهد بود:
در نتیجه به عنوان یک نکته خواهیم داشت
هوارسان چیست؟
هوارسان دستگاههایی هستند که علاوه بر تامین نیازهای سرمایش، گرمایش و هوای تازه، توانایی کنترل رطوبت و فشار محیط را نیز دارا می‌باشند. هوارسانها از اجزا ذیل تشکیل شدهاند:
۱.فن: وظیفه مکش هوا و دمیدن آن بر روی کویل و فیلترها و ارسال آن به فضاهای گرمایش را بر عهده دارد و هد آن باید به اندازهای باشد که بر تمام افت‌های مسیر و داخلی دستگاه غلبه کند. فن‌های به کار رفته در دستگاههای هوارسان از نوع سانتریفیوژ می‌باشند که بر اساس مقدار افت فشار مسیر در از سه نوع زیر استفاده می‌شود:
- فوروارد: برای افت فشارهای پایین
- بک‌وارد: برای افت فشارهای زیاد
- ایرفویل: برای افت فشارهای زیاد و دور بالا
٢.فیلتر: فیلترها در ابتدای دستگاه نصب می‌شوند تا هر گونه آلودگی را در پایین‌دست جریان به خود جذب کنند.
٣. کویل سرمایش: یک لوله از جنس مس با فین‌هایی از جنس آلومینیوم یا مس است که آب سرد چیلر در آن جریان دارد یا انبساط مستقیم است و مبرد در آن جریان دارد (در این حالت کویل نقش اواپراتور را دارد) و وظیفه کاهش دمای هوای عبوری و در صورت لزوم رطوبت‌گیری را بر عهده دارد. پیشنهاد می‌گردد که کویل سرد بعد از فن و قبل از کویل گرمایش قرار گیرد.
٤.کویل گرمایش: آب گرم یا بخار خروجی از دیگ در آن جریان دارد و توسط آن دمای هوای عبوری را افزایش می‌دهد. پیشنهاد می‌گردد حتی‌الامکان بعد از فن قرار گیرد. در غیر این صورت از یک طرف باعث داغ شدن فن و از طرف دیگر افت فشار در قسمت مکش فن می‌شود.
نکته: برای محاسبه نرخ آب ورودی به کویل‌ها از رابطه زیر استفاده می‌شود:
٥.جعبه اختلاط: به منظور حفظ کیفیت هوای داخل ساختمان، تا حدی اجازه ورود هوا از خارج به داخل می‌دهند. در آبوهوای معتدل، مخلوط کردن مقدار مناسب هوای خنک بیرون با هوای گرم برگشتی می‌تواند دمای مطلوب را فراهم کند. در محفظه اختلاط دمپرهایی برای کنترل ورود هوای تازه و هوای برگشتی تعبیه شده است.
6.دمپر: برای کنترل مقدار جریان هوای برگشتی، هوای تازه و هوای تخلیه در هوارسانها استفاده می‌شود. جنس این دمپرها معمولاً فولاد گالوانیزه یا آلومینیوم است و به صورت دستی یا موتوری قابل تنظیم است.
٧.رطوبت‌زن: افزایش رطوبت هوا به منظور تامین آسایش حرارتی ساکنین را بر عهده دارد. رطوبت‌زنها انواع مختلفی دارد به عنوان مثال:
- سیستم تبخیری: هوای خشک به مخزن آب دمیده شده و آب را تبخیر می‌کند.
- اسپری آب: آب توسط نازل به قطرات ریز تبدیل می‌شود و در هوا انتشار می‌یابد
- بخارساز: بخار یا آب داغ بویلر مستقماًی به هوا دمیده شود و باعث افزایش رطوبت شود.
- اولتراسونیک: سطح آب، در جریان عبور از دستگاه اولتراسونیک، تشکیل غباری از آب می‌دهد.
کانال در سیستم هوارسان چیست؟
وظیفه سیستم کانالکشی انتقال هوا از هوارسان به فضای تهویه شده است. طراحی کانال باید با توجه به محدودیت‌های فضای اجرا، افت اصطکاکی، سرعت، سطح صدا، نشتی و انتقال حرارت صورت گیرد. روش دسته‌بندی کانالهای هوا بر اساس شرایط هوای عبوری از آنها (سرعت و فشار) است.
کانالهای هوا بر اساس سرعت هوای عبوری از آنها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
١- کانال کم‌سرعت: در این کانالها سرعت هوا در بازه ٢ تا ١٠ متر بر ثانیه ( fpm ٢٠٠٠-٤٠٠) قرار می‌گیرد.
٢- کانال سرعت متوسط: در این کانالها سرعت هوا در بازه ١٠ تا ٧ /١٢ متر بر ثانیه (fpm ٢٥٠٠-٢٠٠٠) قرار می‌گیرد.
٣- کانال پرسرعت: در این کانالها سرعت هوا در بازه ٧ /١٢ تا ٨ /١٧ متر بر ثانیه (fpm ٣٥٠٠-٢٥٠٠) قرار می‌گیرد. کانالهای کم‌سرعت به دلیل سروصدای کمتر، افت فشار کمتر، نشتی کمتر در اکثر سیستم‌های تهویه مطبوع به کار می‌روند.
کانالهای پرسرعت هزینه اولیه پایین‌تری داشته ولی فشار استاتیکی بیشتری دارند، در نتیجه هزینه بهرهبرداری افزایش می‌یابد. این کانالها به دلیل سطح بالای صدا برای کاربری‌های آسایشی مناسب نیستند.
همچنین کانالهای هوا بر اساس فشار هوای داخل آنها به سه گروه تقسیم می‌شوند:
١- کانالهای فشار پایین: فشار کل در این کانالها حداکثر تا ٤ اینچ ستون آب است.
٢- کانالهای فشار متوسط: فشار کل در این کانالها در بازه ٤ تا ٦ اینچ ستون آب قرار می‌گیرد.
٣- کانالهای فشار بالا: فشار کل در این کانالها در بازه ٦ تا ١٢ اینچ ستون آب قرار می‌گیرد.
منظور از فشار کل، تمامی افت فشارهای داخلی و خارجی و شامل افت فشار کانال رفت، پایانه‌ها، دریچه برگشت، کانال برگشت و … در سیستم است.
طرح و محاسبه سیستم کانال
به منظور ایجاد جریان ثابت و دائم در کانال فشار لازم است. فشار هوای درون کانال دارای دو مؤلفه است.
١- فشار استاتیک: برای مقابله با مقاومت ناشی از اصطکاك ملکولهای هوا با جدار کانال است.
٢- فشار سرعتی: برای ایجاد سرعت در کانال است و در هر مقطعی از کانال برابر است با:
که در این رابطه hv فشار سرعتی و V سرعت هوا در شرایط استاندارد است.
برای طراحی سیستم کانال عوامل ذیل مورد نیاز است:
- نرخ افت فشار اصطکاکی (استاتیک)
- دبی هوا
- سرعت هوا
- قطر کانال
افت اصطکاکی: در اثر لزجت سیال و نتیجه انتقال ممنتوم بین ملکولها است که برای جریان داخلی از رابطه دارسی بدست می‌آید.
Pf افت اصطکاکی بر حسب پاسکال f ضریب اصطکاك، L طول کانال، Dh قطر هیدرولیکی کانال بر حسب میلی‌متر V سرعت سیال بر حسب متر بر ثانیه
قطر و شعاع هیدرولیکی
نکته: افت اصطکاك در شرایط زیر نیاز به تصحیح ندارد:
- کانالهای با زبری متوسط
- دمای بین ٥ تا ٣٥ درجه سلسیوس
- تا ارتفاع ٥٠٠ متر از سطح دریا
- اختلاف فشار کانال از -٥ تا +٥ کیلوپاسکال نسبت به فشار محیط
در غیر این صورت برای تعیین افت اصطکاکی باید از روابط بالا استفاده شود.
محاسبه ابعاد کانال
طراحی و محاسبه ابعاد کانال هوا به سه روش زیر امکانپذیر است:
١- روش کاهش سرعت در طول مسیر
٢- روش افت فشار اصطکاکی یکسان
٣- روش بازیافت فشار استاتیک
نکته: محاسبه ابعاد کانال از روشی با عنوان سرعت ثابت که در آن سرعت هوا در طول مسیر کانال ثابت می‌ماند، مبنای علمی ندارد و ابعاد بدست آمده برای کانال صحیح نخواهد بود.
محاسبه ابعاد کانال از روش افت فشار اصطکاکی یکسان به صورت زیر انجام می‌گردد:
- تعیین دبی هوا: دبی هوای عبوری از شاخه‌های مختلف کانال رفت، برگشت و تخلیه بر اساس بار حرارتی، هوای تازه، فشار اتاق و … تعیین می‌گردد.
- انتخاب سرعت مجاز در ابتدای کانال با توجه به کاربری ساختمان از جداول مربوطه
- تعیین نرخ افت اصطکاکی با استفاده از نمودار با در دست داشتن دبی کل هوا و سرعت. این نرخ افت فشار برای سراسر طول کانال ثابت در نظر گرفته خواهد شد.
- تعیین قطر کانال مدور با در دست داشتن دبی کل و سرعت
- با معلوم بودن دبی هر قسمت کانال و نرخ افت اصطکاکی بدست آمده از مرحله ٣، قطر کانال مدور در هر قسمت بدست می‌آید.
- تعیین مسیر دارای بیشترین مقاومت با احتساب طول معادل اتصالات
- تعیین افت فشار پر مقاومت‌ترین مسیر از طریق ضرب نرخ افت اصطکاکی در طول بدست آمده از بند فوق
- تعیین افت فشار در دریچه ورود هوا به اتاق
- تعیین فشار استاتیک مناسب برای هوای خروجی از دریچه (در سیستم‌های با سرعت کم معمولاً بین ٠١ /٠ تا ١٥ /٠ اینچ آب در نظر گرفته می‌شود.)
- تعیین فشار استاتیک کل شامل موارد ٧، ٨، ٩ همراه به اضافه سایر افت فشارهای موضعی مانند فیلترها، کویل‌ها و… که باید توسط فن هواساز تامین گردد.
نکته: مقادیر معمول که برای افت اصطکاك در نظر گرفته می‌شود، در کانال رفت برابر با (ft ١٠٠ in water) ١ /٠ و در کانال برگشت برابر
(ft ١٠٠ in water) ٠٨ /٠ است.
نمودار سایززنی کانال با مقطع دایرهای
کانال با ابعاد مستطیل: برای بدست آوردن ابعاد کانال مستطیلی معادل با کانال گرد، از نمودار مربوطه و یا رابطه ذیل استفاده می‌شود:
نمودار ابعاد کانال مستطیلی معادل
نسبت ظرافت در کانالکشی
در کانالهای چهارگوش نسبت ضلع بزرگتر به ضلع کوچک‌تر را نسبت ظرافت می‌گویند . نسبت ظرافت یکی از عوامل بسیار مهم در طراحی و انتخاب ابعاد کانال چهارگوش به شمار می‌رود، به طوری که هر چه این نسبت بالا رود هدر رفت انرژی و هزینه‌های ساخت کانال افزایش می‌یابد. محدوده مناسب برای نسبت ظرافت بین ١ و ٦ است.
سخن آخر در مورد فن و هوارسان
فن تهویه مطبوع (HVAC Fan)، یکی از اجزای کلیدی سیستم تهویه مطبوع است که برای جابجایی هوا و تأمین هوای تازه در داخل ساختمان به کار می‌رود. در این مقاله با انواع فن ها و سیستم هوارسان، محاسبات فن و هواساز، توان فن و…. آشنا شدید. اگر سوالی دارید در زیر مطرح کنید.مطالب مربوط به طراحی تاسیسات مکانیکی، فصل به فصل
فصل دوم: مباحث مربوط به انتقال حرارت
فصل سوم : انواع سیستم تهویه مطبوع
فصل چهارم: بررسی سیستم تهویه تبخیری
فصل پنجم : بررسی سیکل تبرید
فصل ششم: مفاهیم حرارت مرکزی
فصل هفتم :مباحث و محاسبات لوله کشی
فصل نهم : مباحث مربوط به فن و هوارسان
فصل دهم :مباحث مربوط به فشار
اصول طراحی و محاسبات بانک خازنی (بررسی و تحلیل جامع پیوست ۵ مبحث ۱۳)
