آکسیال فن چیست؟ نحوه انتخاب، موارد استفاده و نکات مهم در نصب

زمانی که ما نرخ جا‌به‌جایی حجمی (volume flow rate) مورد نیاز را، چه برای تامین هوای تازه و چه برای خنک کردن؛ تعیین کردیم، می­بایست آن را با مقاومت به گردشی که فن آکسیال در عمل با آن روبه رو خواهد بود، ترکیب کنیم. نرخ جا‌به‌جایی حجمی (با واحد مترمکعب بر ساعت) و فشار (با واحد پاسکال)، ترکیب میشوند تا به آن نقطه کارایی برسیم. نقطه ­ای که این دمنده در برابر آن باید عمل کند. این نکته حائز اهمیت است که باید یک هواکش صنعتی را انتخاب کنیم که ویژگی های عملکردی آن، مطابق کارایی مورد نیاز یا نزدیک به کارایی حداکثر باشد. استفاده از آکسیال فن در بالاترین کارایی خود، مصرف انرژی و همچنین سر و صدای ناشی از فن را کاهش داده و در عین حال، کارایی مورد نیاز را تحویل میدهد.

آکسیال فن چگونه عمل میکند؟

پره­ ی آکسیال فن مطابق همان اصلی کار میکند که بال هواپیما موجب بالا رفتن آن می­شود. بال هواپیما شکل ماهی­ واره دارد؛ همانطور که به جلو حرکت میکند، هوا در بالا و پایین بال به حرکت درمی­آید. هوای بالای بال زودتر از هوای زیر بال حرکت میکند، که منجر به ایجاد اختلاف سرعت جریان هوا در بالا و پایین بال می­شود.

جریان هوا با سرعت بالا که در بالای بال است، نیروی دینامیک بالاتری دارد که منجر به فشار استاتیک کمتری می­شود. زیر بال، هوا آهسته تر حرکت میکند، به این معناست که نیروی دینامیک کمتر و فشار استاتیک بیشتری دارد.

اختلاف فشار بالا در زیر بال و فشار پایین در بالای بال، موجب صعود میشود. در مورد فن آکسیال، از یک تیغه پروانه­ ای شبیه ماهی­ واره استفاده می­شود که به جای صعود، تیغه­ های این دمنده حول یک محور ثابت گردش می­کنند و این موجب ایجاد جریان هوا می­شود که از قانون سوم نیوتون پیروی می­کند؛ با این توضیح که برای هر عملی، عکس العملی وجود دارد به یک اندازه ولی در جهت مخالف.

هوای بالای ماهی ­واره بواسطه کاهش فشار استاتیک به سمت فن کشیده می­شود و به داخل فرستاده می­شود و این موجب ایجاد ناحیه­ ای با فشار مثبت می­گردد. برای هدایت جریان هوا و رسیدن به بهترین عملکرد، از سینی استقرار (مانتینگ پلیت) استفاده می­شود که دهانه­ ی ورودی آن به شکل شیپور برعکس است. به کمک آن، جریان ملایم و آرامی را به سمت ضلع مکش آکسیال فن ایجاد می­کند.

فن صنعتی به وسیله گارد استقرار، در مرکز سینی استقرار نگه داشته می­شود که یک روزنه کوچک بین فن و دهانه شیپوری ایجاد می­کند. روش های دیگری برای استقرار فن آکسیال وجود دارد؛ از جمله قرار دادن آن در یک منفذ دیافراگم معمولی یا در یک شعاع کوچک. با این وجود، این روش ­های استقرار به عملکرد لطمه وارد می­کند. با استفاده از یک پلیت استقرار دهانه شیپوری فول، این اطمینان حاصل میشود که کارایی این دمنده در بالاترین حد است.

مشخصه آکسیال فن چیست؟

ناحیه عملکرد بهینه در مشخصه فن آکسیال در تصویر زیر، dip stall نامیده می­شود. آکسیال فن زمانی در حالت بهینه کار میکند که جریانی با حجم نسبتا بالا در مقابل فشار نسبتا پایین دمنده مورد نیاز باشد. نمودار زیر ناحیه عملکرد بهینه را نشان میدهد.

جریان حجمی در امتداد محور X رسم می­شود و فشار سیستم در امتداد محور Y. جالب است بدانید زمانی که فشاری در سیستم وجود ندارد (فن آزادانه در حال چرخش است)، آکسیال فن بیشترین جریان حجمی را تولید می­کند. زمانی که در سمت مکش یا خروجی این هواکش صنعتی، مقاومت به جریان اعمال می­شود، سرعت جریان حجمی کاهش می­یابد. بالاترین کارایی را در نقطه­ ای به نام زانوی منحنی مشخصه فن داریم.

در این نقطه، نسبت توان خروجی فن آکسیال (جریان حجمی ضدبدر فشار) و توان الکتریکی ورودی، در بالاترین حد است و فشار صوت ایجاد شده توسط این دمنده در کمترین مقدار خود است. بالای رنج عملکرد بهینه، جریان در تمام قسمت های بالا و پایین کناره ­های تیغه­ های پروانه­، متلاطم می­شود و پروانه وارد وضعیت واماندگی می­گردد.

در این نقطه، فن شروع به لرزش کرده و سر و صدای زیادی ایجاد میکند. فعالیت در این نقطه ممکن است موجب شود که موتور آکسیال فن بیش از حد داغ کند. چون نیروهای متلاطم روی تیغه پروانه کار موتور را مختل می­کنند.

ملاحظات در نصب – فاصله ­ها

هنگام نصب آکسیال فن، باید عوامل مختلف مربوط به نحوه قرارگیری آن را مد نظر قرار دهیم. در حالت ایده­ آل، وقتی ما یک هواکش صنعتی مثل فن آکسیال را انتخاب می­کنیم، می­توانیم اتاق ­های زیادی را در هر دو سمت خروجی و مکش این فن لحاظ کنیم تا جریان هوای یکنواختی در این دمنده و پراکندگی کنترل­ شده ­ای از هوا در سمت خروجی آن ایجاد گردد.

متاسفانه رسیدن به این وضعیت ایده آل همیشه امکان پذیر نیست و باید به یک حد وسط دست یافت. با یک حساب سرانگشتی، ناحیه لقی (x) در سمت مکش و سمت خروجی آکسیال فن پیش از رسیدن به انسداد، باید حداقل یک سوم قطر این فن باشد.

مثلا برای یک فن آکسیال با قطر ۴۵۰ میلی متر، حداقل ۱۵۰ میلی متر لقی بین فن و انسداد جریان (با سیم پیچ، فیلتر، دیواره و…) باید وجود داشته باشد.

ملاحظات در نصب – موقعیت آکسیال فن در سیستم

موقعیت آکسیال فن از شرایط عملیاتی آن ناشی می‌شود. در مثال زیر، برای خنک کردن یک محفظه­ ی دارای قطعات الکترونیکی که بار حرارتی را پخش می­کند، نشان داده شده است.

همانطور که در بالا گفته شد، اجزای فن آکسیال برای ایجاد جریان ملایم و یکنواختی از هوا، روی لبه پروانه طراحی می­شوند. جریان یکنواخت، تاثیر اعمال نیرو روی هوا را حداکثر می­کند تا آن را از سمت مکش به سمت خروجی لبه پروانه ببرد. اگر از ابزارهای تقویت جریان استفاده نشود، جریان در سمت خروجی لبه پروانه غیر یکنواخت و متلاطم می­گردد.

قراردادن آکسیال فن در دهانه (ورودی) و دمیدن به محفظه، یکی از گزینه ­هاست. می­توانیم از خروجی متلاطم فن آکسیال برای توزیع و بسط هوا در اطراف محفظه استفاده کنیم. با این کار، تمام سطوح اجزای درون محفظه با مقداری هوای خنک ورودی برخورد می­کنند. هرچه هوا راهش را به سمت خروجی باز، طی می­کند، متلاطم بودن مسیر هوا فشار بیشتری را در سیستم  ایجاد می­کند.

هرچه فشار سیستم بیشتر شود، سر و صدای ناشی از آکسیال فن بیشتر می­شود و توان بیشتری برای تحویل جریان هوای مورد نیاز، احتیاج است. از طرف دیگر، ما می­توانیم هواکش آکسیال را در خروجی قرار دهیم که مشخصه سیستم را تغییر می­دهد. هوا مسیری را دنبال می­کند که کمترین مقاومت را دارد، این به این معناست که برخی از اجزا کمتر خنک می­شوند.

فشار در سیستم کمتر خواهد بود که باعث می­شود دمنده کم­ صداتر کار کند و توان مصرفی پایین بیاید. آکسیال فن دمای عملکرد بالاتری خواهد داشت چون هوایی که از ابتدای موتور عبور می­کند، دمایش افزایش می­یابد، این افزایش دما به خاطر پراکندگی حرارت ناشی از اجزای درون محفظه است.

خلاصه مطلب: چرا باید فن آکسیال را انتخاب کنیم؟

وقتی جا به جایی هوا با حجم نسبتا بالا و فشار کم مورد نیاز باشد آکسیال فن بهترین گزینه است. این فن صنعتی باید در رنج بهینه خود یا در محدوده آن انتخاب شود. نقطه کارایی بالا، منطقه­ ای به نام زانوی منحنی مشخصه فن است که در این منطقه، عملکرد در کم­ سر و صداترین حالت است.

باید از کارکرد هواکش صنعتی از نوع آکسیال در نقطه Stall dip و در جاهایی که فشار سیستم زیر این نقطه است، خودداری کرد. تلاطم و کارایی آئرودینامیکی لبه پروانه در Stall dip و بالای آن، باعث سر و صدا می­شود و ممکن است موجب وارد شدن فشار اضافی بر موتور گردد.

هوای سمت ورودی پروانه این هواکش صنعتی را باید تا حد امکان آرام و یکنواخت و ملایم حفظ نمود تا کارایی لبه پروانه به بالاترین حد برسد. استفاده از پلیت استقرار دهانه شیپوری فول و حذف تلاطم ­های جریان قبل از کشیدن شدن هوا به داخل فن آکسیال، سر و صدا را کاهش داده و توان مصرفی را در نقطه کارایی، به حداقل می­رساند.