فن برج خنک کننده

فن برج خنک کننده

فن برج خنک کننده (cooling tower fan) مرکز هوارسانی بوده که جابجایی هوا در کولینگ‌تاور توسط فن یا پروانه می‌باشد. فن یا در اصطلاح پروانه در برج خنک‌کاری دارای تعداد معینی پره یا تیغه با مقطع ایرودینامیکی همانند هواپیما می‌باشد. پروانه یا فن قطعه‌ای است که تحت کارکرد منتقل‌کنندگی هوا در برج خنک کن ایفای نقش می‌نماید. فن با ایجاد یک جریان مکش مکانیکی در هوای بیرون سبب گردش و جابجایی هوا درون برج خنک کننده می‌شود. در واقع پره یا تیغه ایرفویل (airfoil) بکار رفته در پروانه برج‌خنک‌کن سبب گردش هوا داخل کولینگ‌تاور می‌شود. پروانه با ایجاد یک اختلاف فشار در دهانه مکش هوا موجب ارتباط بین آب و هوا می‌گردد.

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 تولیدشده 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 می باشد. 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 برج‌خنک‌کننده می‌شود. منشاً قالب لرزش‌ها و ارتعاشات در کولینگ تاور نیز 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 برج‌خنک‌کننده معایب فراوانی دارد.

معایب عدم بالانس بودن فن یا پروانه در برج خنک‌کننده

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

  • افزایش توان موتور لازم جهت چرخش و در نتیحه آمپر کشیدن مازاد موتور و در نتیجه داغ شدن دینام

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

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


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 فن برج خنک کننده

جدول مشخصات 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 در برج خنک‌کننده 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 (محوری یا گریز از مرکز)


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 (Air Foil) 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 می گردد. 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 خنک‌کننده در واقع بهترین سرعت جهت چرخش می‌باشد. به هر میزان قطر پروانه افزایش یابد دورنامی مجاز فن نیز کاهش یابد. بنابراین در پروانه برج خنک کننده صنعتی عمدتاً از فن‌های بزرگ با سرعت چرخش بسیار آرام استفاده می‌شود.


انواع طبقه بندی کلی فن برج خنک کننده

  • فن برج خنک‌کننده محوری (Axial Fan)

دلیل اصلی و مهم نامگذاری پروانه آکسیال یا محوری کولینگ تاور چرخش پره‌های فن کولینگ تاور یا برج خنک کننده حول یک محور ثابت می‌باشد. راندمان سیستم های هوادهی اکسیال قالباً بالاتر از 80 درصد می‌باشد. سیستم هوا رسانی 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 خنک‌کننده گریز از مرکز یا سانتریفوژ (Centrifuge Fan)

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

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 (همانند بال هواپیما)

  • راندمان بالا و ایجاد هوادهی با ظرفیت بسیار بالا

  • مصرف انرژی پایین به دلیل عدم ایجاد فشار استاتیکی بالا

  • گردش هوای مطلوب در سیستم های دمنده و مکنده القایی

  • عدم نیاز به تعویض وسرویس دوره‌ای (روغن کاری)

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

  • ظرفیت هوادهی بسیار بالا و فشار استاتیک متعادل

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

مطالب مفید: برج خنک کننده فایبرگلاس


اجزای فن برج خنک کننده محوری

هاب(Fan Hub): این بخش از پروانه  از یک سو به شفت انتقال قدرت (موتور) متصل می‌گردد و از یک جهت نیز به شافت متصل به تیغه اتصال می‌یابد. این بخش توسط دستگاه تراشکاری مطابق با اندازه شافت ، سایز خار و عمق خار تولید می شود. هاب عموماً از متریال چدن ریخته گری قالب گیری می شود و سپس توسط دستگاه تراش تولید نهایی می شود. اندازه یا قطر هاب با توجه به اندازه قطر فن و سایز شافت انتقال قدرت تغییر می نماید.

شفت اتصال (Fan Shaft): این بخش از پروانه محوری با آکسیال کولینگ تاور ، وجه اتصال تیغه یا پره با هاب محسوب می‌شود. بدلیل اعمال شدید نیروهای لرزشی و تنش های برشی به این قسمت جنس شافت را از آلیاژ چقر (دارای مدول چقرمگی بالا) تولید می نمایند. این بخش به دلیل قرار گرفتن تحت نیروهای برشی دراگ و لیفت در پروانه باید دارای تنش استحکامی بسیار بالا باشد. عدم رعایت تنش تسلیم استاندارد در شافت سبب بریدن شافت و آسیب زیاد به تیغه طی تنش خستگی می‌شود.

تیغه یا پره (Fan Blade): این قسمت وظیفه جریان دادن هوا و ایجاد فشار نسبی در هوا را بر عهده دارد. عموماً تیغه های فن برج خنک کننده با مقطع ایرودینامیکی ایروفویل ( Air Foil ) تولید و به کار برده می‌شوند. تیغه بیشترین سطح تماس با هوا را دارد بنابراین کیفیت این قسمت بیشترین تأثیر را بر عملکرد و کارایی فن برج خنک کننده دارد. صیقلی بودن پره ها و نوع مقطع آن ها بیشترین فاکتورهای موثر در طراحی سیستم هوادهی به شمار می آید.

اتصالات جانبی: پیچ و مهره به کار رفته در اتصال بخش های مختلف یکی دیگر از قطعات جانبی فن در برج خنک کننده به شمار می آید. پیچ ، مهره و واشر به دلیل تماس دائم با رطوبت قالباً از گرید HDGS (hot deep galvanized steel) می باشد. پیچ و مهره های استنلس استیل SS316 نیز برای محیطهای اسیدی و دارای خورندگی نیز به کار برده می شود.


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 تیغه و جنس تیغه در واقع تأثیر بسزایی در عملکرد سیستم در شرایط مختلف ایجاد می‌نماید. جنس پره و نوع مقطع ایرودینامیکی بیشترین اثرگذاری 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.

جنس پره نیز نمایانگر مقاومت پره در محیط‌های مرطوب یا اسیدی می‌باشد. در محیط های دارای رطوبت زیاد بهره گیری از سیستم هوا رسانی مکنده با تیغه فلزی بسیار اشتباه است. پره‌های فلزی در مقابل اکسیژن موجود در رطوبت هوا به شدت دچار تشکیل اکسید و زنگ زدگی می‌شود. تیغه های فلزی همچنین مقاومت بسیار کمی در مقابل تحمل اسید یا خوردگی دارند. بیشترین مقاومت در بین تیغه‌های فن برج خنک کننده متعلق به مدل فایبرگلاس می‌باشد. البته پره‌های فایبرگلاس در مقایسه با فلزی مقاومت کمتری در برابر تابش نور خورشید (اشعه ماوراء بنفش) دارند. به طور مختصر انواع سیستم‌های هوادهی آکسیال به سه دسته کلی تقسیم 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

رایج‌ترین نوع سیستم هوادهی و هوا رسانی در کولینگ تاور استفاده از تیغه آلومینیوم می‌باشد. جنس پره در این مدل تماماً آلیاژ آلومینیوم (Aluminum Alloy) می‌باشد. آلومینیوم به دلیل نرم بودن می تواند 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 می‌شود. تیغه های آلومینیوم به صورت شاخه ای توسط دستگاه اکسترود به صورت شاخه ای تولید می شود. قالب ایرفویل در تیغه های آلومینیوم دارای عرض 27 سانتی متر می باشد. مناسب ترین زاویه استاندارد تنظیم تیغه های پروانه آلومینیوم برج خنک کننده بین 14 الی 16 درجه می باشد. 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.

تعداد پره فن محوری برج خنک کننده نیز در واقع بر اساس میزان ظرفیت هوادهی مورد نیاز طراحی می‌گردد. تعداد تیغه‌های پروانه آلومینیوم کولینگ تاور وابسته به قطر آن از 4 تا 8 متغیر می‌باشد. دور نامی یا سرعت زاویه ای استاندارد در این مدل بین 780 الی 220 دور بر دقیقه متغیر می‌باشد. افزایش قطر فن برج خنک کننده سبب کاهش میزان سرعت نامی استاندارد می شود. در سایزهای بزرگ پروانه های آلومینیوم در کولینگ تاور از سیستم های کاهنده دور با نسبت دور بیشتر استفاده می شود. افزایش نسبت دور در کاهش دور برج خنک کننده سبب کاهش دور ورودی به فن می شود. البته علاوه بر بکارگیری سیستم کاهش دور تسمه‌ای یا گیبرکسی از درایو اینورتر یا سیستم کنترل دور متغیر (VFD) نیز در جهت تنظیم دور کاری چرخش فن برج خنک کننده استفاده می‌شود.

فن برج خنک کننده محوری


ب) فن برج خنک کننده فایبر گلاس

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 به کار 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.

فن برج خنک کننده فایبرگلاس همانند نوع آلومینیوم دارای تیغه با مقطع ایرودینامیکی ایرفویل می‌باشد. یکی از مزیت‌های این مدل تیغه در برابر آلومینیوم سبک بودن آن می‌باشد. سبک بودن تیغه موجب کاهش آمپر مصرفی الکتروموتور یا مولد انرژی می‌شود. سبک بودن تیغه‌های فایبرگلاس کولینگ تاور به دلیل ساختار الیاف و رزینی است که در تولید این مدل پره‌ها به کار برده می‌شود. چگالی الیاف و رزین به کار رفته در ساخت متریال کامپوزیتی به مراتب کمتر از چگالی آلومینیوم یا سایر فلزها می‌باشد. در هنگام تولید تیغه فایبرگلاس فن برج خنک کننده محوری از مواد آنتی یووی نیز جهت افزایش مقاومت در برابر آفتاب سوختگی و پوسیدگی استفاده می‌شود. عرض پره فایبرگلس در پروانه برج خنک کننده معادل 37 سانتی متر و زاویه استاندارد استاتیکی آن معادل با 12 الی 14 درجه می‌باشد.

فن فایبرگلاس برج خنک کننده


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

پروانه کولینگ تاور مولتی وینگ با پره پلی آمید در سایزهای 55 سانتی‌متر تا 120 سانتی‌متر با تعداد 5 الی 8 پره قابل تولید و عرضه می‌باشد. زاویه استاندارد در فن مولتی وینگ برج خنک کننده 22 درجه نسبت به خط افق و سرعت چرخشی استاندارد این مدل سیستم هوادهی بین 900 الی 700 دور بردقیقه تنظیم می‌گردد. سیستم انتقال قدرت در پروانه مولتی وینگ کولینگ تاور بیشتر از نوع دایرکت درایو یا کوپل مستقیم می‌باشد. به دلیل نداشتن مقطع ایرودینامیکی در این مدل تیغه ها از بکاربردن آن در فن های بزرگ اکیداً خودداری نمایید. بکارگیری از این تیغه در قطرهای بالا باعث دفورمه شدن پره ها پس از مدت کوتاهی می‌شود و این موضوع سبب تخریب سریع آن می‌شود. همچنین به دلیل داشتن عرض تیغه پایین سطح تماس پره با هوا جهت ایجاد فشار نسبی پایین می باشد. در ظرفیت های بالا مکش کردن هوا و ایجاد فشار استاتیکی توسط این مدل پروانه به شدت دشوار و یا غیرممکن است.


مطالب مشابه:


اسپرینکلر برج خنک کننده

نازل برج خنک کننده

قطره گیر برج خنک کننده

کلید واژه ها: فن پره ملخی برج خنک کننده پروانه آلومینیوم برج خنک کننده فن مولتی وینگ برج خنک کننده فن پلی آمید برج خنک کننده پروانه ایرفویل برج خنک کننده پروانه مولتی وینگ برج خنک کننده پروانه فایبرگلاس کولینگ تاور پروانه مولتی وینگ برج خنک کاری پروانه 7 پره برج خنک کننده پروانه 5 پره برج خنک کننده پروانه 6 پره برج خنک کننده