همانطور که می دانیم فن برج خنک کننده بعنوان کشنده و دمنده هوا نقشی اساسی را در خنک کاری بازی می کند. این مقاله روشی را به منظور طراحی و انتخاب فن جریان محوری برج خنک کننده باهدف صحت سنجی تجربی نتایج تئوری بدست آمده ارائه می کند. مسئله‌ی طراحی و انتخاب پروانه فن با توجه به مقدار حجم هوادهی و فشار استاتیکی موردنیاز برای هر سیستم مشخص میگردد. هنگامی‌که طراحی فن بر اساس نتایج تئوری تائید گردد، تعیین مشخصات هندسی فن به‌منظور عملکرد با یک سری از مشخصات خاص، ممکن خواهد شد. روش ارائه شده در این مقاله برای سایر طراحیها قابل تعمیم میباشد.
اصطلاح فن محوری بر این موضوع دلالت دارد که جریان هوای عبوری از فن تقریباً به‌صورت محوری میباشد. در قسمت ورودی فن که جریان هوا به پره‌های فن نزدیک میشود، جهت جریان به‌صورت محوری و به‌بیان‌دیگر موازی با محور دوران، در صورت نبود عامل مزاحم در ورودی خواهد بود. سپس پره فن جریان را مطابق با شکل 1 منحرف خواهد کرد
شکل 1. پره با سطح مقطع ایرفویل و انحراف جریان ورودی
پروانه فن، مکانیزم طراحی‌شده‌ای جهت ایجاد نیروی کشنده یا هل دهنده در تراکنش با سیال واسطه میباشد. پروانه فن کولینگ تاور یک المان آئرودینامیکی میباشد که از هاب یا هسته مرکزی و تعدادی پره تشکیل شده است. عملکرد یک فن جریان محوری بر اساس انحراف جریان هوا میباشد. الگوی جریان منحرف شده پس از پره به صورت مارپیچی همانند یک پلکان مارپیچ میباشد. این موضوع برای تمامی فنهای آکسیال ملخی، فنهای تیوب اکسیال و فنهای وین اکسیال صادق میباشد. لذا پروسه طراحی و محاسبات طراحی مربوط به هر سه نوع یکسان میباشد. مؤلفه سرعت هوا در الگوی مارپیچ جریان عبوری پس از پره‌ها را می‌توان به دو مؤلفه سرعت محوری و مماسی تجزیه کرد. مؤلفه محوری سرعت (موازی با جریان ورودی)، مؤلفه‌ی کارا جهت حرکت دادن جریان هوا به نقطه مورد نظر میباشد.
فن ایرفویل
ایرفویل سطح مقطعی با هندسه مشخص جهت بهبود شرایط آئرودینامیکی و کاهش مقاومت در برابر جریان هوا میباشد که مهم‌ترین کاربرد آن در سطح مقطع بال هواپیما و همچنین سطح مقطع پره‌های فن میباشد.
ایرفویلها به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم‌بندی میشوند .چنانچه خط تحدب میانه ایرفویل خط صاف نباشد آن ایرفویل نامتقارن خواهد بود. در فنهای پرهای، نوع نامتقارن مورداستفاده قرار میگیرد. شکل 2 یک ایرفویل نامتقارن مربوط به شرکت ناسا به نام NACA 6512 را نشان میدهد.
شکل 2. ایرفویل نامتقارن NACA 6512 بدست آمده از نرم افزار متلب
همانطور که مشخص است سطح بالایی ایرفویل دارای انحراف بیشتری نسبت به سطح پایینی میباشد. با حرکت جریان هوا از روی ایرفویل به دلیل انحنای کمتر سطح پایینی، هوا باید مسافت بیشتری روی سطح ایرفویل طی کند لذا سرعت هوا در قسمت زیرین ایرفویل بالاتر از قسمت بالایی ایرفویل میباشد. لذا با توجه به اصل برنولی، فشار مثبت در سطح زیرین و فشار منفی یا ساکشن در سطح بالایی ایروفیل ایجاد خواهد شد. این اختلاف فشار سبب ایجاد نیروی F میشود. نیروی F به دو مؤلفه نیروی برآ یا لیفت L به‌صورت عمود بر سرعت جریان و نیروی درگ یا پسا D به‌صورت موازی با سرعت جریان تجزیه میگردد. نیروی برآ مؤلفه کارا میباشد.
پیچش پره
جریان هوا به‌منظور بهینه‌سازی و بالا بردن راندمان آئرودینامیکی بایستی به‌صورت یکنواخت روی سطح پره فن توزیع گردد. مؤلفه محوری سرعت هوا بایستی مقدار یکسانی از هاب تا نوک پره دارا باشد اما سرعت پرهی در حال دوران به‌صورت یکنواخت نمیباشد. سرعت در نزدیکی مرکز پره یا هاب پایین بوده و با حرکت به سمت نوک تیغه افزایش مییابد. این اختلاف بایستی توسط ایجاد پیچش در پره‌ها جبران گردد. لذا زاویه حمله در نوک پره بایستی مقدار کمتری نسبت به زاویه حمله در ریشه یا پایه پره باشد. شکل 3 یک ایرفویل نامتقارن به‌عنوان سطح مقطع فن پره ای و پیچش آن را نشان میدهد.
شکل 3. ایرفویل نامتقارن NACA 6512 بعنوان سطح مقطع پرهی فن و پیچش پره
محاسبه تعداد تیغه های مورد نیاز در طراحی فن برج خنک کننده
لبه پره ها شامل لبه حمله و فرار پره سهم عمده در ایجاد توربولانس و نویز به وجود آمده در پروانه را دارا میباشد و سطح پره سهم پایینی در این موضوع ایفا میکند. لذا تعداد پره کمتر با عرض بیشتر سبب افزایش راندمان و کاهش سطح آلودگی صوتی میشود؛ اما توجه به این نکته مهم است که تعداد پره کم با عرض زیاد سبب افزایش وزن، حجم، قیمت و مشکلات به وجود آمده در بالانس فن میشود.
از لحاظ آیرودینامیکی تعداد یک پره با عرض زیاد بهینه‌ترین نوع پروانه میباشد اما ازلحاظ عملی و همچنین هزینه بالا چنین موردی امکان‌پذیر نمیباشد. لذا با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف نظیر راندمان و هزینه و رسیدن به مصالحه‌ای بین آن‌ها، تعداد 5 تا 12 پره راه‌حل عملی مناسبی برای پروانه میباشد. شکل 4 یک فن برج خنک کننده فایبرگلاس را نشان میدهد.
شکل 4. ملخ 5 پره برج خنک کننده
محاسبه ابعاد فن محوری کولینگ تاور
کانالی با سطح مقطع برابر با 1.392 مترمربع درنظر بگیرید. حجم هوادهی موردنیاز برابر با 60 مترمکعب بر ثانیه یا 127133 فوت مکعب بر دقیقه با میزان فشار استاتیک برابر با 495 پاسکال (معادل 2 اینچ ستون آب) بایستی توسط این فن محوری با دور 2000 دور در دقیقه توسط موتوری با توان 84.438 کیلووات ایجاد گردد. سرعت خروجی به‌صورت زیر به دست میآید.
که در آن:
OV=q برابر یا فشار دینامیکی یا سرعت خروجی
برابر با چگالی هوا در ارتفاع 2240 متری از سطح دریا
V برابر با سرعت محلی
که در آن:
Q برابر با حجم هوادهی
A برابر با سطح مقطع کانال
V برابر با سرعت محلی
لذا مقدار سرعت خروجی OV به‌صورت زیر به دست میآید.
با موتوری با توان 84.438 کیلووات، فن راندمان 85 درصدی خواهد داشت که از میزان پیش‌بینی‌شده بالاتر میباشد و این سبب اضافه‌بار موتور خواهد شد. موتور با توان 100.711 کیلووات به‌منظور هوادهی به میزان 60 مترمکعب بر ثانیه با فشار استاتیک 495 پاسکال موردنیاز خواهد بود.
به‌منظور محاسبه کمترین قطر هاب dmin و کمترین قطر فن Dmin جهت برآورد این ملزومات به روش زیر عمل می‌کنیم. کمترین قطر هاب dmin به‌صورت زیر به دست میآید.
شکل 5 .هاب با قطر بدست آمده برای فن پرهای
همچنین کمترین قطر چرخ Dmin به‌صورت زیر به دست میآید:
شکل 6 چرخ فن پرهای با 5 پره و قطر محاسبه‌شده را نشان میدهد.
شکل 6. فن 5 پرهای با قطر بدست آمده
نتیجه‌گیری:
هنگامی که طراحی فن برج خنک کننده بر اساس نتایج تئوری تائید گردد، تعیین ابعاد فن کولینگ تاور به‌منظور عملکرد با یک سری از مشخصات خاص، ممکن خواهد شد. الزاماتی نظیر حجم هوادهی و فشار استاتیکی غالباً تعیین‌کننده نوع فن مورداستفاده برای یک کاربری خاص هستند. فنهای جریان محوری مورد استفاده درون برجهای خنک کن دارای مزایایی نظیر هزینه اولیه پایین‌تر، حجم هوادهی بالا، نصب آسان‌تر، سطح صدا و نویز تولیدشده کمتر در سرعت‌های بالا، تعمیر و نگهداری آسان‌تر میباشند.
در انتها پیشنهاد می نمائیم صفحه اگزاست فن را مطالعه فرمائید.
