فن برج خنک کننده

فن برج خنک کننده

فن برج خنک کننده (cooling tower fan) مرکز هوارسانی و دستگاه جابجا کننده هوا در کولینگ‌تاور می‌باشد که به آن پروانه برج خنک کن هم می‌گویند. فن یا پروانه در برج خنک‌کاری دارای تعداد معینی پره یا تیغه می‌باشد که با چرخش آنها هوا از نقطه ای به نقطه دیگر جابجا می‌شود. فن برج خنک کننده در واقع قطعه‌ای است که وظیفه آن منتقل کردن هوا از بیرون به داخل کولینگ تاور است.

فن با ایجاد یک جریان مکش مکانیکی در هوای بیرون سبب گردش و جابجایی هوا درون برج خنک کننده می‌شود. در اصل پره یا تیغه ایرفویل(airfoil) بکار رفته در پروانه سبب گردش هوا داخل دستگاه می‌شود. تیغه پروانه با چرخش خود موجب ایجاد یک اختلاف فشار نسبی در دهانه مکش هوا و در نتیجه جابجایی این سیال می‌گردد. پروانه ها علاوه بر کولینگ تاور در دستگاه های دیگر همانند چیلر، کندانسور هوایی و اگزاست فن نیز بکار برده می‌شود.


انواع فن برج خنک کننده

  • فن برج خنک کننده محوری(axial fan)

دلیل اصلی و مهم نامگذاری پروانه آکسیال یا محوری کولینگ تاور چرخش پره‌های فن برج خنک کننده حول یک محور ثابت می‌باشد. راندمان سیستم های هوادهی اکسیال قالباً بالاتر از 80 درصد می‌باشد. سیستم هوارسانی محوری برج خنک کننده به فن‌هایی گفته می‌شود که جریان خروجی هوا در راستای محور گردش می‌باشد.

فن محوری عموماً برای کاربری‌های تک جهته همانند ورود و خروج هوا از یک محیط و هوادهی‌های بالا در نقاط مختلف کاربرد دارند. چرخش پره‌های اکسیال سبب ایجاد فشار نسبی در اطراف تیغه پروانه شده و در نتیجه سبب جابجایی هوا می‌شود. فن محوری عموماً به دلیل فشار استاتیک پایین در محیط هایی با آلوگی بالا کاربرد ندارد و همچنین این مدل در سیستم‌های هوادهی با مسیر یا کانال‌های طولانی به هیچ وجه توصیه نمی‌شود.

  • فن برج خنک کننده سانتریفوژ(centrifuge fan)

سیستم های سانتریفوژ یا حلزونی در گذشته و در کولینگ تاورهای گالوانیزه کاربرد داشت. کاربرد نوع پره بکوارد یا فوروارد در این مدل پروانه متناسب با نوع دمنده یا مکنده بودن سیستم می‌باشد. مصرف انرژی زیاد، لرزش زیاد، راندمان پایین و خرابی زیاد از مهمترین دلایل منسوخ شدن سیستم هوادهی گریز از مرکز می‌باشد.

توضیحات بیشتر در مورد انواع کولینگ تاور

انواع پروانه کولینگ تاور

***نکته مهم و اساسی در بکارگیری سیستم های آکسیال یا محوری در کولینگ تاور

قطر پروانه با سرعت چرخشی رابطه معکوس دارد یعنی به هر میزان قطر فن برج خنک کننده بزرگتر انتخاب گردد سرعت چرخشی نیز باید کاسته شود. کاهش میزان سرعت زاویه ای چرخش در پروانه سبب کاهش آسیب به بلبرینگ می‌گردد.


مزایای فن برج خنک کننده محوری

  • سر و صدای بسیار کم به دلیل مقطع ایرودینامیکی تیغه به صورت ایرفویل

  • راندمان بالا و ایجاد هوادهی با ظرفیت بسیار بالا

  • مصرف انرژی پایین به دلیل عدم ایجاد فشار استاتیکی بالا

  • گردش هوای مطلوب در سیستم‌های دمنده و مکنده القایی

  • عدم نیاز به تعویض وسرویس دوره‌ای (روغن کاری)

  • لرزش پایین به دلیل کاهش شدید نیروی دراگ و مقاومت پسا

  • ظرفیت هوادهی بسیار بالا و فشار استاتیک متعادل

  • مناسب جهت کاربری در انواع تجهیزات برودتی مثل کولینگ تاور، ایرکولر و چیلرهای تراکمی هوا خنک

مطالب مفید: برج خنک کننده فایبرگلاس


انواع فن محوری برج خنک کننده

سیستم هوادهی آکسیال یا محوری با توجه به نوع پروانه امپلار یا چند پره به دسته‌بندی‌های مختلفی تقسیم می‌شود. انواع نوع محوری یا آکسیال سیستم هوادهی بر اساس نوع و جنس تیغه در انواع مختلفی تولید و عرضه می‌گردد. عرض و جنس تیغه در واقع تأثیر بسزایی در عملکرد سیستم در شرایط مختلف ایجاد می‌نماید. جنس پره و نوع مقطع ایرودینامیکی بیشترین اثر گذاری را در نحوه عملکرد پروانه کولینگ تاور دارد.

مقطع ائرودینامیکی باعث کاهش میزان فشار استاتیک می‌شود و این موضوع سبب کاهش شدید لرزش می‌شود. کاهش میزان لرزش در واقع پیش زمینه ای از کاهش نیروهای لرزشی در نوک پره است. کاهش لرزش در سیستم هوارسانی موجب کاهش میزان فشار بر روی موتور و کاهش صدای تولیدی دستگاه می‌شود.

  • الف) سیستم هوادهی محوری با تیغه آلومینیوم

  • ج) سیستم هوارسانی اکسیال با پره فایبرگلاس

  • د) فن محوری برج خنک کننده با تیغه پلی آمید


الف) فن برج خنک کننده آلومینیوم

رایج ترین نوع سیستم هوادهی و هوارسانی در کولینگ تاور استفاده از تیغه آلومینیوم می‌باشد. جنس پره در این مدل تماماً آلیاژ آلومینیوم (aluminum alloy) می‌باشد. آلومینیوم به دلیل نرم بودن می‌تواند به راحتی تحت شکلهای ایرودینامیکی مناسب شکل پذیری داشته باشد. بهترین مقطع ایرودینامیکی در سیستم‌های جابجا کننده هوا نوع مقطع ایرفویل (airfoil) می‌باشد. مقطع ایرفویل در تیغه فن برج خنک کن سبب کاهش شدید فشارهای مربوط به نیروی دراگ (تلاطمی) می‌شود.

فن برج خنک کننده

تیغه‌های آلومینیوم به صورت شاخه ای توسط دستگاه اکسترود به صورت شاخه‌ای تولید می‌شود. قالب ایرفویل در تیغه های آلومینیوم دارای عرض 27 سانتیمتر می‌باشد. مناسب ترین زاویه استاندارد تنظیم تیغه‌های پروانه آلومینیوم برج خنک کننده بین 14 الی 16 درجه می‌باشد. کاهش زاویه در پره ها سبب کاهش میزان ظرفیت هوادهی(air flow) و افزایش زاویه تنظیم سبب افزایش لرزش می‌شود. لرزش و تشدید نیروهای تلاطمی ایجاد شده به مرور زمان می تواند سبب شکسته شدن شافت‌های اتصال تیغه به هاب گردد.


ب) فن برج خنک کننده فایبرگلاس

پروانه فایبرگلاس کولینگ تاور به دلیل داشتن تیغه یا پره کامپوزیتی (فایبرگلاس) به این نام شناخته می‌شود. تیغه فایبرگلاس به دلیل داشتن مقاومت بسیار بالا در مقابل رطوبت کاربرد فراوانی در برج‌های خنک کننده مکش القایی مکنده دارد. سیستم‌های مکنده القایی به دلیل تماس دائمی با رطوبت هوای اشباع تخلیه شده از قسمت بالای فن در خطر خوردگی و پوسیدگی قرار دارند. استفاده از کامپوزیت یا فیبر فشرده پلاستیک در تیغه فن سبب افزایش مقاومت و طول عمر این قطعه می‌شود.

از طرفی دیگر پره های فایبرگلاس بکار رفته در این مدل به دلیل داشتن مقاومت در برابر اسید برای محیط‌های صنعتی به خصوص به شدت توصیه می‌شود. در جداره بیرونی تیغه‌های فایبرگلاس در پروانه‌های محوری کامپوزیتی یا پلاستیکی از یک لایه ژلکت استفاده می‌شود. ژلکت نوعی رزین غلیظ می‌باشد که سبب تشکیل یک لایه پوشش ضخیم و مقاوم بر جداره بیرونی پروانه کولینگ تاور می‌شود.


ج) فن برج خنک کننده پلی آمید

فن مولتی وینگ با متریال پلی آمید (poly amid) به دلیل به کار بردن متریال فوق سبک یکی از رایج ترین انواع سیستم‌های هوادهی آکسیال یا محوری به حساب می‌آید. سیستم هوادهی مولتی وینگ به دلیل داشتن پره های کوچک و سبک حجم کمی از ظرفیت هوادهی را ایجاد می نماید. به دلیل ظرفیت پایین هوادهی تولیدی توسط این مدل، از آن در کولینگ تاورهای کوچک (ظرفیت برودتی پایین) استفاده می‌شود.

فن برج خنک کننده تیپ مولتی وینگ (molti-wing) در واقعی نوعی از فن محوری یا اکسیال محسوب می‌شود که دارای قابلیت تنظیم زاویه می‌باشد. پروانه مولتی وینگ برج خنک کننده به عبارتی دیگر دارای تعداد معین پره با عرض تیغه کم (13 الی 18 سانتی متر) می‌باشد که جنس تیغه این نوع فن از متریال پلی آمید (PE) می‌باشد.

کاتالوگ فن های محوری تولیدی دماگستر

تیپ اول: پره ملخی با تیغه پلی آمید

کاتالوگ فن برج خنک کننده

تیپ دوم: پره ایرفویل با تیغه آلومینیوم

کاتالوگ پروانه برج خنک کننده

تیپ سوم: پره ایرفویل با تیغه فایبرگلاس

کاتالوگ فن کولینگ تاور


سیر تکاملی طراحی و تولید فن برج خنک کننده

به بیانی ساده‌تر فن یا پروانه عامل اصلی ایجاد هوادهی در برج خنک‌کننده محسوب می‌شود. این قطعه در انواع برج خنک‌کاری جریان همسو و جریان ناهمسو به کار برده می‌شود. پروانه در این کاربری مرکز سیستم جریان دهی هوا در کولینگ تاور محسوب می‌شود. فن وابسته به توان برودتی کولینگ تاور میزان معینی از حجم سیال هوا را در ساعت جابه‌جا می‌نماید.

این تجهیز در سیر تولیدی کولینگ تاور دستخوش تغییرات بسیاری شده است. با پیشرفت صنعت تولید و ساخت برج خنک کننده فن نیز دچار تغییرات بسیاری شده است. امروزه پروانه های محوری با تیغه های فوق سبک جایگزین هواکش های حلزونی و سانتریفوژ در کولینگ تاور شده‌اند.


آیا بالانس فن برج خنک‌کننده اهمیت بالایی در کارکرد این دستگاه دارد؟

پاسخ به این سوال مثبت است. بالانس کردن فن برج خنک‌کننده (متوازن کردن چرخش فن) سبب کاهش نیروی اصطکاک بین پره‌ها با  جریان هوای بیرون می‌شود. با کاهش نیروهای مقاوم در برابر چرخش تیغه ها عملکرد این تجهیز بسیار روان‌تر و آرام‌تر خواهد شد. قالباً تمامی لرزش و صدای تولید شده توسط فن به دلیل نیروهای توربولانت مقاومتی در برابر چرخش پروانه می‌باشد.

نیروهای توربولانت دسته ای از نیروهای اصطکاکی بین پره و سیال هوا در طی کارکرد این تجهیز می‌باشد. شدت نیروهای توربولانسی و تلاطمی از مهمترین نکاتی است که در طراحی باید دائماً چک شود. لرزش‌های بوجود آمده در سیستم هوادهی سبب ایجاد لرزش در بدنه و سایر قسمت‌های برج خنک کننده می‌شود. منشأ قالب لرزش‌ها و ارتعاشات در کولینگ تاور، عدم تنظیم سیستم هوادهی است.

صدای بوجود آمده از فن یا پره برج خنک‌کننده گاهی می‌تواند به شدت سبب آزار ساکنان آن محیط اطراف گردد. افزایش نیروهای توربولانسی ناشی از عدم بالانس بودن فن سبب افزایش گشتاور مورد نیاز در مولد انرژی مکانیکی (دینام) می‌شود. این به معنی است که مصرف انرژی در برج خنک‌کن بیشتر خواهد شد.

با توجه به موضوع مذکور طبیعتاً موتور با لود و بار گشتاوری بیشتری باید انجام وظیفه کند. افزایش فشار بر روی الکتروموتور نیز طبعات بدتری در پیش خواهد داشت. بنابراین بالانس نکردن تیغه‌ها و پروانه در برج خنک کننده معایب فراوانی دارد.

معایب عدم بالانس بودن فن یا پروانه در برج خنک‌کننده

  • تخریب و  از بین رفتن سریع تیغه و شافت‌های بکار رفته در پروانه کولینگ تاور

  • افزایش توان موتور لازم جهت چرخش و در نتیحه آمپر کشیدن مازاد موتور

  • ایجاد صدای زیاد (شدت صوت های بالاتر از 80 db)

  • به وجود آمدن لرزش و ارتعاش زیاد در تمامی بخش‌های داخلی


انواع بالانس فن یا پروانه برج خنک‌کننده

  • الف) بالانس استاتیکی فن برج خنک کننده

این مدل بالانس در فن به صورت ثابت و بدون چرخش صورت می گیرد. بالانس استاتیکی به معنی تنظیم زوایای تیغه‌های پروانه برج خنک کننده تحت یک زاویه یکسان تحت افق می‌باشد.

  • ب) بالانس دینامیکی فن برج خنک کننده

بالانس دینامیکی فن در واقع شبیه سازی عملکرد پروانه کولینگ تاور در یک دستگاه لرزه نگار می‌باشد. دستگاه لرزه نگار پس از چرخش فن با سرعت زاویه ای استاندارد(دور نامی) متوجه معایب سیستم می‌شود. در واقع مشخص می‌شود که پروانه در کدام قسمت نسبت به سایر بخشها دارای عدم توازن می‌باشد. پس از تشخیص نقطه تلاطم، تیغه بکار رفته در فن با روش های مختلف بارگذاری بالانس دینامیکی می‌گردد.


شاخصه های مهم طراحی و نصب فن برج خنک کننده


میزان حجم هوادهی فن برج خنک کننده

هوادهی یا ظرفیت جابجایی هوا (Air Flow) در واقع میزان نرخ حجم هوای جابجا شده در واحد زمان معین در کولینگ‌تاور می‌باشد و یکی از مهمترین بخش‌های طراحی و محاسبات برج خنک کننده محسوب می‌شود. به بیانی ساده‌تر مهمترین شاخصه و فاکتور طراحی در سیستم های جابجایی هوا ظرفیت و نرخ هوادهی در آن می‌باشد. ظرفیت هوادهی پروانه خود تابع عوامل متعددی است.

***عوامل اصلی تأثیرگذار در میزان حجم هوادهی فن برج خنک کننده به شرح ذیل می‌باشد.

الف) تعداد پره ها یا تیغه های پروانه کولینگ تاور

ب) عرض تیغه یا پهنای پره

ج) زاویه تظیم پره ها نسبت به سطح افق

د) نوع سیستم هوادهی


فشار استاتیک فن برج خنک کننده

فشار استاتیک (static Presure) در پروانه در واقع میزان تنش و فشاری است که تیغه در اثر برخورد با هوا تحمل می‌کند. فشار استاتیک فن نیز تنشی می‌باشد که توسط نیروی مقاومت هوا (پسا) در تماس با تیغه‌ها یا پره‌های پروانه کولینگ تاور ایجاد می‌شود. فشار استاتیک در پروانه برج خنک کننده تأثیر مستقیمی بر توان مصرفی موتور یا مولد انرژی مکانیکی (دینام) دارد.

به منظور کاهش فشار استاتیک از پره‌هایی با مقطع ایرودینامیکی ایرفویل در کولینگ‌تاور استفاده می‌شود. این مقطع به لحاظ ایجاد نیروی لیفت و ایجاد فشار نسبی در دو طرف تیغه یا پره، بهترین گزینه مقطع سیالاتی در بین انواع پره‌های بکار رفته در تولید فن برج خنک کننده محسوب می‌گردد.


فشار دینامیک فن برج خنک کننده

فشار دینامیک (dynamic presure) در واقع همان فشار نسبی در پروانه کولینگ تاور می‌باشد که سبب ایجاد خلاء نسبی و در نتیجه جابجایی هوا می‌گردد. فشار دینامیک فن برج خنک کننده به عبارتی ساده‌تر تابعی از فشار استاتیک و میزان حجم هوادهی می‌باشد.


دورنامی فن برج خنک کننده

همانطور که از قوانین فنها در اصول سیالات می‌دانیم افزایش سرعت زاویه‌ای (سرعت چرخشی) سبب افزایش میزان حجم هوادهی می‌گردد. به منظور عدم تشدید نیروهای توربولانسی، برای هر قطر و سایز از پروانه کولینگ تاور شاخصه یا فاکتوری تحت عنوان دور نامی تعریف می‌شود.

دورنامی فن برج خنک کننده در واقع بهترین سرعت جهت چرخش می‌باشد. به هر میزان قطر پروانه افزایش یابد دور نامی مجاز فن نیز کاهش یابد. بنابراین در پروانه برج خنک کننده صنعتی عمدتاً از فن‌های بزرگ با سرعت چرخش بسیار آرام استفاده می‌شود.


مطالب مشابه:


نازل برج خنک کننده

قطره گیر برج خنک کننده

کاهش دور برج خنک کننده

منابع:

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/axial-flow-fan